Volatile不保证原子性及解决方案
原子性的意义
原子性特别是在并发编程领域，是一个极其重要的概念，原子性指的是一个操作或一组操作要么全部执行成功，要么全部不执行，不会出现部分执行的情况。这意味着原子性操作是不可分割的，它们在执行过程中不会被其他操作中断或干扰。
原子性的意义在于它保证了数据的一致性和程序的正确性。在多线程或多进程的环境中，当多个操作同时访问和修改共享数据时，如果没有原子性保证，可能会导致数据不一致或不确定的结果。例如，如果一个线程在读取某个数据时，另一个线程同时修改了这个数据，那么第一个线程读取到的数据可能是不正确的。通过确保操作的原子性，可以避免这种情况，从而维护数据的完整性和程序的正确执行。
了解了上面的原子性的重要概念后，接下来一起聊一聊 volatile 关键字。
volatile 关键字在 Java 中用于确保变量的更新对所有线程都是可见的，但它并不保证复合操作的原子性。这意味着当多个线程同时访问一个 volatile 变量时，可能会遇到读取不一致的问题，尽管它们不会看到部分更新的值。
Volatile 的限制
- 不保证原子性：volatile 变量的单个读写操作是原子的，但复合操作（如自增或同步块）不是原子的。
- 不保证顺序性：volatile 变量的读写操作不会与其他操作（如非 volatile 变量的读写）发生重排序。
一个例子
用一个示例来解释会更清楚点，假如我们有一段代码是这样的：
class Counter {
private volatile int count = 0;
void increment() {
count++;
}
int getCount() {
return count;
}
}
尽管 count 是 volatile 变量，但 increment 方法中的复合操作 count++（读取-增加-写入）不是原子的。因此，在多线程环境中，多个线程可能会同时读取相同的初始值，然后增加它，导致最终值低于预期。
volatile 不保证原子性的代码验证
以下是一个简单的 Java 程序，演示了 volatile 变量在多线程环境中不保证复合操作原子性的问题：
public class VolatileTest {
private static volatile int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int numberOfThreads = 10000;
Thread[] threads = new Thread[numberOfThreads];
for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 100; j++) {
counter++;
}
});
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("Expected count: " + (numberOfThreads * 100));
System.out.println("Actual count: " + counter);
}
}
在这个例子中：
- counter 是一个 volatile 变量。
- 每个线程都会对 counter 执行 100 次自增操作。
- 理论上，如果 counter++ 是原子的，最终的 counter 值应该是 10000 * 100。
然而，由于 counter++ 包含三个操作：读取 counter 的值、增加 1、写回 counter 的值，这些操作不是原子的。因此，在多线程环境中，最终的 counter 值通常会小于预期值，这证明了 volatile 变量不保证复合操作的原子性。
解决方案
1. 使用 synchronized 方法或块：
- 将访问 volatile 变量的方法或代码块声明为 synchronized，确保原子性和可见性。
class Counter {
private volatile int count = 0;
synchronized void increment() {
count++;
}
synchronized int getCount() {
return count;
}
}
2. 使用 AtomicInteger 类：
java.util.concurrent.atomic 包中的 AtomicInteger 提供了原子操作，可以替代 volatile 变量。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class Counter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
void increment() {
count.incrementAndGet();
}
int getCount() {
return count.get();
}
}
3. 使用锁（如 ReentrantLock）：
使用显式锁（如 ReentrantLock）来同步访问 volatile 变量的代码块。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class Counter {
private volatile int count = 0;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
void increment() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
int getCount() {
lock.lock();
try {
return count;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
使用volatile变量的正确使用场景
如果操作是简单的读写，并且你只需要保证可见性，可以使用 volatile。但对于复合操作，可以使用上述其他方法来实现，通过这些方法，可以确保在多线程环境中对共享资源的正确同步和可见性。