Java 中的 volatile 与原子变量

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Java 中的 volatile 与原子变量

1. 概述

在本教程中，我们将学习 volatile 关键字和原子类之间的区别以及它们解决的问题。 首先，需要了解 Java 如何处理线程之间的通信以及可能出现的意外问题。

线程安全是一个关键主题，它提供了对多线程应用程序内部工作的洞察。我们还将讨论竞态条件，但不会深入这个话题。

2. 并发问题

让我们通过一个简单的例子来了解原子类和 volatile 关键字间的区别。假设我们正在尝试创建一个在多线程环境中工作的计数器。

理论上，任何应用程序线程都可以增加这个计数器的值。让我们以一种天真的方法开始实现它，并检查会出现什么问题：

public class UnsafeCounter {
    private int counter;

    int getValue() {
        return counter;
    }

    void increment() {
        counter++;
    }
}

这是一个完全工作的计数器，但不幸的是，它只适用于单线程应用程序。这种方法在多线程环境中会遭受可见性和同步问题。 在大型应用程序中，这可能会增加跟踪错误和甚至破坏用户数据的难度。

3. 可见性问题

在多线程应用程序中工作时，可见性问题是一个问题之一。可见性问题与 Java 内存模型密切相关。

在多线程应用程序中，每个线程都有自己的共享资源的缓存版本，并根据事件或计划从主内存中更新值。

线程缓存和主内存的值可能不同。 因此，即使一个线程在主内存中更新了值，这些更改也不会立即对其他线程可见。这就是所谓的可见性问题。

volatile 关键字通过绕过本地线程的缓存来帮助我们解决这个问题。因此，volatile 变量对所有线程都是可见的，所有这些线程都会看到相同的值。因此，当一个线程更新值时，所有线程都会看到新值。我们可以将其视为低级别的观察者模式，并可以重写之前的实现：

public class UnsafeVolatileCounter {
    private volatile int counter;

    public int getValue() {
        return counter;
    }

    public void increment() {
        counter++;
    }
}

上述示例改进了计数器并解决了可见性问题。然而，我们仍然有一个同步问题，我们的计数器在多线程环境中不会正确工作。

4. 同步问题

尽管 volatile 关键字帮助我们解决了可见性问题，但我们仍然面临另一个问题。 在我们的增加示例中，我们对变量 count 执行了两个操作。首先，我们读取这个变量，然后为其分配一个新值。** 这意味着增加操作不是原子的。**

我们在这里面临的是一个竞态条件。 每个线程应该首先读取值，增加它，然后将其写回。当多个线程开始处理值，并在另一个线程写入之前读取它时，问题就会发生。

这样，一个线程可能会覆盖另一个线程写入的结果。synchronized 关键字可以解决这个问题。然而，这种方法可能会创建瓶颈，并且不是解决这个问题的最优雅的方法。

5. 原子值

原子值提供了一种更好、更直观的方式来处理这个问题。它们的接口允许我们在没有同步问题的情况下与值进行交互和更新。

在内部，原子类确保在这种情况下，增加将是一个原子操作。 因此，我们可以使用它来创建一个线程安全的实现：

public class SafeAtomicCounter {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public int getValue() {
        return counter.get();
    }

    public void increment() {
        counter.incrementAndGet();
    }
}

我们最终的实现是线程安全的，并且可以在多线程应用程序中使用。 它与我们的第一个示例没有显著不同，只有通过使用原子类，我们才能解决多线程代码中的可见性和同步问题。

6. 结论

在本文中，我们了解到在多线程环境中工作时，我们必须非常小心。 错误和问题可能很难追踪，可能在调试时不会出现。这就是为什么了解 Java 如何处理这些情况至关重要。

volatile 关键字可以帮助解决可见性问题，并解决本质上是原子操作的问题。设置一个标志是 volatile 关键字可能有帮助的一个例子。

原子变量有助于处理像增加-减少这样的非原子操作，或者任何需要在分配新值之前读取值的操作。原子值是一种简单方便的方法，可以解决我们代码中的同步问题。 如往常一样，示例的源代码可以在 GitHub 上找到。