为何volatile不能保证原子性操作

被volatile修饰的变量可以保证该变量的可见性,但并不能保证操作的原子性。

当需要使用被volatile修饰的变量时,线程会从主内存中重新获取该变量的值,但当该线程修改完该变量的值写入主内存的时候,并没有判断主内存内该变量是否已经变化,故可能出现非预期的结果。如主内存内有被volatile修饰变量 a,值为3,某线程使用该变量时,重新从主存内读取该变量的值,为3,然后对其进行+1操作,此时该线程内a变量的副本值为4。但此时该线程的时间片时间到了,等该线程再次获得时间片的时候,主存内a的值已经是另外的值,如5,但是该线程并不知道,该线程继续完成其未完成的工作,将线程内的a副本的值4写入主存,这时,主存内a的值就是4了。这样,之前修改a的值为5的操作就相当于没有发生了,a的值出现了意料之外的结果。

被synchronize修饰的变量则可以保证变量操作的原子性,因为当某线程使用变量a时,其他线程无法使用变量a,只能等该线程对a操作结束,释放a的锁后才能对a进行操作。

延伸

那么为了解决volatile++这类复合操作的原子性,有什么方案呢?其实方案也比较多的,这里提供两种典型的:

使用synchronized关键字
使用AtomicInteger/AtomicLong原子类型

synchronized关键字

synchronized是比较原始的同步手段。它本质上是一个独占的,可重入的锁。当一个线程尝试获取它的时候,可能会被阻塞住,所以高并发的场景下性能存在一些问题。

在某些场景下,使用synchronized关键字和volatile是等价的:

写入变量值时候不依赖变量的当前值,或者能够保证只有一个线程修改变量值。
写入的变量值不依赖其他变量的参与。
读取变量值时候不能因为其他原因进行加锁。
加锁可以同时保证可见性和原子性,而volatile只保证变量值的可见性。

AtomicInteger/AtomicLong

这类原子类型比锁更加轻巧,比如AtomicInteger/AtomicLong分别就代表了整型变量和长整型变量。

在它们的实现中,实际上分别使用的volatile int/volatile long保存了真正的值。因此,也是通过volatile来保证对于单个变量的读写原子性的。

在此基础之上,它们提供了原子性的自增自减操作。比如incrementAndGet方法,这类方法相对于synchronized的好处是:它们不会导致线程的挂起和重新调度,因为在其内部使用的是CAS非阻塞算法。

CAS是什么

所谓的CAS全程为CompareAndSet。直译过来就是比较并设置。这个操作需要接受三个参数:

内存位置
旧的预期值
新值
这个操作的做法就是看指定内存位置的值符不符合旧的预期值,如果符合的话就将它替换成新值。它对应的是处理器提供的一个原子性指令 - CMPXCHG。

比如AtomicLong的自增操作:

public final long incrementAndGet() {
    for (;;) {
        long current = get(); // Step 1
        long next = current + 1; // Step 2
        if (compareAndSet(current, next)) // Step 3
            return next;
    }
}

public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
    return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
}

我们考虑两个线程T1和T2,同时执行到了上述Step 1处,都拿到了current值为1。然后通过Step 2之后,current在两个线程中都被设置为2。

紧接着,来到Step 3。假设线程T1先执行,此时符合CompareAndSet的设置规则,因此内存位置对应的值被设置成2,线程T1设置成功。当线程T2执行的时候,由于它预期current为1,但是实际上已经变成了2,所以CompareAndSet执行不成功,进入到下一轮的for循环中,此时拿到最新的current值为2,如果没有其它线程感染的话,再次执行CompareAndSet的时候就能够通过,current值被更新为3。

所以不难发现,CAS的工作主要依赖于两点:

无限循环,需要消耗部分CPU性能
CPU原子指令CompareAndSet
虽然它需要耗费一定的CPU Cycle,但是相比锁而言还是有其优势,比如它能够避免线程阻塞引起的上下文切换和调度。这两类操作的量级明显是不一样的,CAS更轻量一些。

总结

我们说对于volatile变量的读/写操作是原子性的。因为从内存屏障的角度来看,对volatile变量的单纯读写操作确实没有任何疑问。

由于其中掺杂了一个自增的CPU内部操作,就造成这个复合操作不再保有原子性。

然后,讨论了如何保证volatile++这类操作的原子性,比如使用synchronized或者AtomicInteger/AtomicLong原子类。

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