Volatile不保證原子性（二）

Volatile不保證原子性

前言

通過前面對JMM的介紹，我們知道，各個執行緒對主記憶體中共享變數的操作都是各個執行緒各自拷貝到自己的工作記憶體進行操作後在寫回到主記憶體中的。

這就可能存在一個執行緒AAA修改了共享變數X的值，但是還未寫入主記憶體時，另外一個執行緒BBB又對主記憶體中同一共享變數X進行操作，但此時A執行緒工作記憶體中共享變數X對執行緒B來說是不可見，這種工作記憶體與主記憶體同步延遲現象就造成了可見性問題。

原子性

不可分割，完整性，也就是說某個執行緒正在做某個具體業務時，中間不可以被加塞或者被分割，需要具體完成，要麼同時成功，要麼同時失敗。

資料庫也經常提到事務具備原子性

程式碼測試

為了測試volatile是否保證原子性，我們建立了20個執行緒，然後每個執行緒分別迴圈1000次，來呼叫number++的方法

MyData myData = new MyData();

    // 建立10個執行緒，執行緒裡面進行1000次迴圈
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> {
            // 裡面
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
            myData.addPlusPlus();
        }
     }, String.valueOf(i)).start();
}

最後通過 Thread.activeCount()，來感知20個執行緒是否執行完畢，這裡判斷執行緒數是否大於2，為什麼是2？因為預設是有兩個執行緒的，一個main執行緒，一個gc執行緒

// 需要等待上面20個執行緒都計算完成後，在用main執行緒取得最終的結果值
while(Thread.activeCount() > 2) {
    // yield表示不執行
    Thread.yield();
}

然後線上程執行完畢後，我們在檢視number的值，假設volatile保證原子性的話，那麼最後輸出的值應該是

20 * 1000 = 20000,

完整程式碼如下所示：

/**
 * Volatile Java虛擬機器提供的輕量級同步機制
 *
 * 可見性（及時通知）
 * 不保證原子性
 * 禁止指令重排
 *
 * @author: 陌溪
 * @create: 2020-03-09-15:58
 */

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 假設是主實體記憶體
 */
class MyData {
    /**
     * volatile 修飾的關鍵字，是為了增加 主執行緒和執行緒之間的可見性，只要有一個執行緒修改了記憶體中的值，其它執行緒也能馬上感知
     */
    volatile int number = 0;

    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }

    /**
     * 注意，此時number 前面是加了volatile修飾
     */
    public void addPlusPlus() {
        number ++;
    }
}

/**
 * 驗證volatile的可見性
 * 1、 假設int number = 0， number變數之前沒有新增volatile關鍵字修飾
 * 2、新增了volatile，可以解決可見性問題
 *
 * 驗證volatile不保證原子性
 * 1、原子性指的是什麼意思？
 */
public class VolatileDemo {

    public static void main(String args []) {

        MyData myData = new MyData();

        // 建立10個執行緒，執行緒裡面進行1000次迴圈
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 裡面
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myData.addPlusPlus();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 需要等待上面20個執行緒都計算完成後，在用main執行緒取得最終的結果值
        // 這裡判斷執行緒數是否大於2，為什麼是2？因為預設是有兩個執行緒的，一個main執行緒，一個gc執行緒
        while(Thread.activeCount() > 2) {
            // yield表示不執行
            Thread.yield();
        }

        // 檢視最終的值
        // 假設volatile保證原子性，那麼輸出的值應該為：  20 * 1000 = 20000
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t finally number value: " + myData.number);

    }
}

最終結果我們會發現，number輸出的值並沒有20000，而且是每次執行的結果都不一致的，這說明了volatile修飾的變數不保證原子性

第一次：

第二次：

第三次：

為什麼出現數值丟失

各自執行緒在寫入主記憶體的時候，出現了資料的丟失，而引起的數值缺失的問題

下面我們將一個簡單的number++操作，轉換為位元組碼檔案一探究竟

public class T1 {
    volatile int n = 0;
    public void add() {
        n++;
    }
}

轉換後的位元組碼檔案

public class com.moxi.interview.study.thread.T1 {
  volatile int n;

  public com.moxi.interview.study.thread.T1();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: iconst_0
       6: putfield      #2                  // Field n:I
       9: return

  public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2                  // Field n:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2                  // Field n:I
      10: return
}

這裡檢視位元組碼的操作，是用到了IDEA的javap命令

我們首先，使用IDEA提供的External Tools，來擴充套件javap命令

完成上述操作後，我們在需要檢視位元組碼的檔案下，右鍵選擇 External Tools即可

如果出現了找不到指定類，那是因為我們建立的是spring boot的maven專案，我們之前需要執行mvn package命令，進行打包操作，將其編譯成class檔案

移動到底部，有一份位元組碼指令對照表，方便我們進行閱讀

下面我們就針對 add() 這個方法的位元組碼檔案進行分析

  public void add();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2    // Field n:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2    // Field n:I
      10: return

我們能夠發現 n++這條命令，被拆分成了3個指令

• 執行getfield 從主記憶體拿到原始n
• 執行iadd 進行加1操作
• 執行putfileld 把累加後的值寫回主記憶體

假設我們沒有加 synchronized那麼第一步就可能存在著，三個執行緒同時通過getfield命令，拿到主存中的 n值，然後三個執行緒，各自在自己的工作記憶體中進行加1操作，但他們併發進行 iadd 命令的時候，因為只能一個進行寫，所以其它操作會被掛起，假設1執行緒，先進行了寫操作，在寫完後，volatile的可見性，應該需要告訴其它兩個執行緒，主記憶體的值已經被修改了，但是因為太快了，其它兩個執行緒，陸續執行 iadd命令，進行寫入操作，這就造成了其他執行緒沒有接受到主記憶體n的改變，從而覆蓋了原來的值，出現寫丟失，這樣也就讓最終的結果少於20000

如何解決

因此這也說明，在多執行緒環境下 number ++ 在多執行緒環境下是非執行緒安全的，解決的方法有哪些呢？

• 在方法上加入 synchronized

    public synchronized void addPlusPlus() {
        number ++;
    }

執行結果：

我們能夠發現引入synchronized關鍵字後，保證了該方法每次只能夠一個執行緒進行訪問和操作，最終輸出的結果也就為20000

其它解決方法

上面的方法引入synchronized，雖然能夠保證原子性，但是為了解決number++，而引入重量級的同步機制，有種 殺雞焉用牛刀

除了引用synchronized關鍵字外，還可以使用JUC下面的原子包裝類，即剛剛的int型別的number，可以使用AtomicInteger來代替

    /**
     *  建立一個原子Integer包裝類，預設為0
      */
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public void addAtomic() {
        // 相當於 atomicInter ++
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

然後同理，繼續剛剛的操作

        // 建立10個執行緒，執行緒裡面進行1000次迴圈
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 裡面
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myData.addPlusPlus();
                    myData.addAtomic();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

最後輸出

        // 假設volatile保證原子性，那麼輸出的值應該為：  20 * 1000 = 20000
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t finally number value: " + myData.number);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t finally atomicNumber value: " + myData.atomicInteger);

下面的結果，一個是引入synchronized，一個是使用了原子包裝類AtomicInteger

位元組碼指令表

為了方便閱讀JVM位元組碼檔案，我從網上找了一份位元組碼指令表

位元組碼	助記符	指令含義
0x00	nop	None
0x01	aconst_null	將null推送至棧頂
0x02	iconst_m1	將int型-1推送至棧頂
0x03	iconst_0	將int型0推送至棧頂
0x04	iconst_1	將int型1推送至棧頂
0x05	iconst_2	將int型2推送至棧頂
0x06	iconst_3	將int型3推送至棧頂
0x07	iconst_4	將int型4推送至棧頂
0x08	iconst_5	將int型5推送至棧頂
0x09	lconst_0	將long型0推送至棧頂
0x0a	lconst_1	將long型1推送至棧頂
0x0b	fconst_0	將float型0推送至棧頂
0x0c	fconst_1	將float型1推送至棧頂
0x0d	fconst_2	將float型2推送至棧頂
0x0e	dconst_0	將double型0推送至棧頂
0x0f	dconst_1	將double型1推送至棧頂
0x10	bipush	將單位元組的常量值(-128~127)推送至棧頂
0x11	sipush	將一個短整型常量(-32768~32767)推送至棧頂
0x12	ldc	將int,float或String型常量值從常量池中推送至棧頂
0x13	ldc_w	將int,float或String型常量值從常量池中推送至棧頂(寬索引)
0x14	ldc2_w	將long或double型常量值從常量池中推送至棧頂(寬索引)
0x15	iload	將指定的int型本地變數推送至棧頂
0x16	lload	將指定的long型本地變數推送至棧頂
0x17	fload	將指定的float型本地變數推送至棧頂
0x18	dload	將指定的double型本地變數推送至棧頂
0x19	aload	將指定的引用型別本地變數推送至棧頂
0x1a	iload_0	將第一個int型本地變數推送至棧頂
0x1b	iload_1	將第二個int型本地變數推送至棧頂
0x1c	iload_2	將第三個int型本地變數推送至棧頂
0x1d	iload_3	將第四個int型本地變數推送至棧頂
0x1e	lload_0	將第一個long型本地變數推送至棧頂
0x1f	lload_1	將第二個long型本地變數推送至棧頂
0x20	lload_2	將第三個long型本地變數推送至棧頂
0x21	lload_3	將第四個long型本地變數推送至棧頂
0x22	fload_0	將第一個float型本地變數推送至棧頂
0x23	fload_1	將第二個float型本地變數推送至棧頂
0x24	fload_2	將第三個float型本地變數推送至棧頂
0x25	fload_3	將第四個float型本地變數推送至棧頂
0x26	dload_0	將第一個double型本地變數推送至棧頂
0x27	dload_1	將第二個double型本地變數推送至棧頂
0x28	dload_2	將第三個double型本地變數推送至棧頂
0x29	dload_3	將第四個double型本地變數推送至棧頂
0x2a	aload_0	將第一個引用型別本地變數推送至棧頂
0x2b	aload_1	將第二個引用型別本地變數推送至棧頂
0x2c	aload_2	將第三個引用型別本地變數推送至棧頂
0x2d	aload_3	將第四個引用型別本地變數推送至棧頂
0x2e	iaload	將int型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x2f	laload	將long型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x30	faload	將float型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x31	daload	將double型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x32	aaload	將引用型別陣列指定索引的值推送至棧頂
0x33	baload	將boolean或byte型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x34	caload	將char型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x35	saload	將short型陣列指定索引的值推送至棧頂
0x36	istore	將棧頂int型數值存入指定本地變數
0x37	lstore	將棧頂long型數值存入指定本地變數
0x38	fstore	將棧頂float型數值存入指定本地變數
0x39	dstore	將棧頂double型數值存入指定本地變數
0x3a	astore	將棧頂引用型別數值存入指定本地變數
0x3b	istore_0	將棧頂int型數值存入第一個本地變數
0x3c	istore_1	將棧頂int型數值存入第二個本地變數
0x3d	istore_2	將棧頂int型數值存入第三個本地變數
0x3e	istore_3	將棧頂int型數值存入第四個本地變數
0x3f	lstore_0	將棧頂long型數值存入第一個本地變數
0x40	lstore_1	將棧頂long型數值存入第二個本地變數
0x41	lstore_2	將棧頂long型數值存入第三個本地變數
0x42	lstore_3	將棧頂long型數值存入第四個本地變數
0x43	fstore_0	將棧頂float型數值存入第一個本地變數
0x44	fstore_1	將棧頂float型數值存入第二個本地變數
0x45	fstore_2	將棧頂float型數值存入第三個本地變數
0x46	fstore_3	將棧頂float型數值存入第四個本地變數
0x47	dstore_0	將棧頂double型數值存入第一個本地變數
0x48	dstore_1	將棧頂double型數值存入第二個本地變數
0x49	dstore_2	將棧頂double型數值存入第三個本地變數
0x4a	dstore_3	將棧頂double型數值存入第四個本地變數
0x4b	astore_0	將棧頂引用型數值存入第一個本地變數
0x4c	astore_1	將棧頂引用型數值存入第二個本地變數
0x4d	astore_2	將棧頂引用型數值存入第三個本地變數
0x4e	astore_3	將棧頂引用型數值存入第四個本地變數
0x4f	iastore	將棧頂int型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x50	lastore	將棧頂long型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x51	fastore	將棧頂float型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x52	dastore	將棧頂double型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x53	aastore	將棧頂引用型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x54	bastore	將棧頂boolean或byte型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x55	castore	將棧頂char型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x56	sastore	將棧頂short型數值存入指定陣列的指定索引位置
0x57	pop	將棧頂數值彈出(數值不能是long或double型別的)
0x58	pop2	將棧頂的一個(對於非long或double型別)或兩個數值(對於非long或double的其他型別)彈出
0x59	dup	複製棧頂數值並將複製值壓入棧頂
0x5a	dup_x1	複製棧頂數值並將兩個複製值壓入棧頂
0x5b	dup_x2	複製棧頂數值並將三個(或兩個)複製值壓入棧頂
0x5c	dup2	複製棧頂一個(對於long或double型別)或兩個(對於非long或double的其他型別)數值並將複製值壓入棧頂
0x5d	dup2_x1	dup_x1指令的雙倍版本
0x5e	dup2_x2	dup_x2指令的雙倍版本
0x5f	swap	將棧頂最頂端的兩個數值互換(數值不能是long或double型別)
0x60	iadd	將棧頂兩int型數值相加並將結果壓入棧頂
0x61	ladd	將棧頂兩long型數值相加並將結果壓入棧頂
0x62	fadd	將棧頂兩float型數值相加並將結果壓入棧頂
0x63	dadd	將棧頂兩double型數值相加並將結果壓入棧頂
0x64	isub	將棧頂兩int型數值相減並將結果壓入棧頂
0x65	lsub	將棧頂兩long型數值相減並將結果壓入棧頂
0x66	fsub	將棧頂兩float型數值相減並將結果壓入棧頂
0x67	dsub	將棧頂兩double型數值相減並將結果壓入棧頂
0x68	imul	將棧頂兩int型數值相乘並將結果壓入棧頂
0x69	lmul	將棧頂兩long型數值相乘並將結果壓入棧頂
0x6a	fmul	將棧頂兩float型數值相乘並將結果壓入棧頂
0x6b	dmul	將棧頂兩double型數值相乘並將結果壓入棧頂
0x6c	idiv	將棧頂兩int型數值相除並將結果壓入棧頂
0x6d	ldiv	將棧頂兩long型數值相除並將結果壓入棧頂
0x6e	fdiv	將棧頂兩float型數值相除並將結果壓入棧頂
0x6f	ddiv	將棧頂兩double型數值相除並將結果壓入棧頂
0x70	irem	將棧頂兩int型數值作取模運算並將結果壓入棧頂
0x71	lrem	將棧頂兩long型數值作取模運算並將結果壓入棧頂
0x72	frem	將棧頂兩float型數值作取模運算並將結果壓入棧頂
0x73	drem	將棧頂兩double型數值作取模運算並將結果壓入棧頂
0x74	ineg	將棧頂int型數值取負並將結果壓入棧頂
0x75	lneg	將棧頂long型數值取負並將結果壓入棧頂
0x76	fneg	將棧頂float型數值取負並將結果壓入棧頂
0x77	dneg	將棧頂double型數值取負並將結果壓入棧頂
0x78	ishl	將int型數值左移指定位數並將結果壓入棧頂
0x79	lshl	將long型數值左移指定位數並將結果壓入棧頂
0x7a	ishr	將int型數值右(帶符號)移指定位數並將結果壓入棧頂
0x7b	lshr	將long型數值右(帶符號)移指定位數並將結果壓入棧頂
0x7c	iushr	將int型數值右(無符號)移指定位數並將結果壓入棧頂
0x7d	lushr	將long型數值右(無符號)移指定位數並將結果壓入棧頂
0x7e	iand	將棧頂兩int型數值"按位與"並將結果壓入棧頂
0x7f	land	將棧頂兩long型數值"按位與"並將結果壓入棧頂
0x80	ior	將棧頂兩int型數值"按位或"並將結果壓入棧頂
0x81	lor	將棧頂兩long型數值"按位或"並將結果壓入棧頂
0x82	ixor	將棧頂兩int型數值"按位異或"並將結果壓入棧頂
0x83	lxor	將棧頂兩long型數值"按位異或"並將結果壓入棧頂
0x84	iinc	將指定int型變數增加指定值(如i++, i--, i+=2等)
0x85	i2l	將棧頂int型數值強制轉換為long型數值並將結果壓入棧頂
0x86	i2f	將棧頂int型數值強制轉換為float型數值並將結果壓入棧頂
0x87	i2d	將棧頂int型數值強制轉換為double型數值並將結果壓入棧頂
0x88	l2i	將棧頂long型數值強制轉換為int型數值並將結果壓入棧頂
0x89	l2f	將棧頂long型數值強制轉換為float型數值並將結果壓入棧頂
0x8a	l2d	將棧頂long型數值強制轉換為double型數值並將結果壓入棧頂
0x8b	f2i	將棧頂float型數值強制轉換為int型數值並將結果壓入棧頂
0x8c	f2l	將棧頂float型數值強制轉換為long型數值並將結果壓入棧頂
0x8d	f2d	將棧頂float型數值強制轉換為double型數值並將結果壓入棧頂
0x8e	d2i	將棧頂double型數值強制轉換為int型數值並將結果壓入棧頂
0x8f	d2l	將棧頂double型數值強制轉換為long型數值並將結果壓入棧頂
0x90	d2f	將棧頂double型數值強制轉換為float型數值並將結果壓入棧頂
0x91	i2b	將棧頂int型數值強制轉換為byte型數值並將結果壓入棧頂
0x92	i2c	將棧頂int型數值強制轉換為char型數值並將結果壓入棧頂
0x93	i2s	將棧頂int型數值強制轉換為short型數值並將結果壓入棧頂
0x94	lcmp	比較棧頂兩long型數值大小, 並將結果(1, 0或-1)壓入棧頂
0x95	fcmpl	比較棧頂兩float型數值大小, 並將結果(1, 0或-1)壓入棧頂; 當其中一個數值為NaN時, 將-1壓入棧頂
0x96	fcmpg	比較棧頂兩float型數值大小, 並將結果(1, 0或-1)壓入棧頂; 當其中一個數值為NaN時, 將1壓入棧頂
0x97	dcmpl	比較棧頂兩double型數值大小, 並將結果(1, 0或-1)壓入棧頂; 當其中一個數值為NaN時, 將-1壓入棧頂
0x98	dcmpg	比較棧頂兩double型數值大小, 並將結果(1, 0或-1)壓入棧頂; 當其中一個數值為NaN時, 將1壓入棧頂
0x99	ifeq	當棧頂int型數值等於0時跳轉
0x9a	ifne	當棧頂int型數值不等於0時跳轉
0x9b	iflt	當棧頂int型數值小於0時跳轉
0x9c	ifge	當棧頂int型數值大於等於0時跳轉
0x9d	ifgt	當棧頂int型數值大於0時跳轉
0x9e	ifle	當棧頂int型數值小於等於0時跳轉
0x9f	if_icmpeq	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果等於0時跳轉
0xa0	if_icmpne	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果不等於0時跳轉
0xa1	if_icmplt	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果小於0時跳轉
0xa2	if_icmpge	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果大於等於0時跳轉
0xa3	if_icmpgt	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果大於0時跳轉
0xa4	if_icmple	比較棧頂兩int型數值大小, 當結果小於等於0時跳轉
0xa5	if_acmpeq	比較棧頂兩引用型數值, 當結果相等時跳轉
0xa6	if_acmpne	比較棧頂兩引用型數值, 當結果不相等時跳轉
0xa7	goto	無條件跳轉
0xa8	jsr	跳轉至指定的16位offset位置, 並將jsr的下一條指令地址壓入棧頂
0xa9	ret	返回至本地變數指定的index的指令位置(一般與jsr或jsr_w聯合使用)
0xaa	tableswitch	用於switch條件跳轉, case值連續(可變長度指令)
0xab	lookupswitch	用於switch條件跳轉, case值不連續(可變長度指令)
0xac	ireturn	從當前方法返回int
0xad	lreturn	從當前方法返回long
0xae	freturn	從當前方法返回float
0xaf	dreturn	從當前方法返回double
0xb0	areturn	從當前方法返回物件引用
0xb1	return	從當前方法返回void
0xb2	getstatic	獲取指定類的靜態域, 並將其壓入棧頂
0xb3	putstatic	為指定類的靜態域賦值
0xb4	getfield	獲取指定類的例項域, 並將其壓入棧頂
0xb5	putfield	為指定類的例項域賦值
0xb6	invokevirtual	呼叫例項方法
0xb7	invokespecial	呼叫超類構建方法, 例項初始化方法, 私有方法
0xb8	invokestatic	呼叫靜態方法
0xb9	invokeinterface	呼叫介面方法
0xba	invokedynamic	呼叫動態方法
0xbb	new	建立一個物件, 並將其引用引用值壓入棧頂
0xbc	newarray	建立一個指定的原始型別(如int, float, char等)的陣列, 並將其引用值壓入棧頂
0xbd	anewarray	建立一個引用型(如類, 介面, 陣列)的陣列, 並將其引用值壓入棧頂
0xbe	arraylength	獲取陣列的長度值並壓入棧頂
0xbf	athrow	將棧頂的異常丟擲
0xc0	checkcast	檢驗型別轉換, 檢驗未通過將丟擲 ClassCastException
0xc1	instanceof	檢驗物件是否是指定類的實際, 如果是將1壓入棧頂, 否則將0壓入棧頂
0xc2	monitorenter	獲得物件的鎖, 用於同步方法或同步塊
0xc3	monitorexit	釋放物件的鎖, 用於同步方法或同步塊
0xc4	wide	擴充套件本地變數的寬度
0xc5	multianewarray	建立指定型別和指定維度的多維陣列(執行該指令時, 操作棧中必須包含各維度的長度值), 並將其引用壓入棧頂
0xc6	ifnull	為null時跳轉
0xc7	ifnonnull	不為null時跳轉
0xc8	goto_w	無條件跳轉(寬索引)
0xc9	jsr_w	跳轉至指定的32位offset位置, 並將jsr_w的下一條指令地址壓入棧頂