volatile synchronized visibility multi-thread 多執行緒

Volatile in Java -- 用volatile解決可視性問題

郭彥廷 2019/12/30 11:00:00

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Overview

volatile是基礎但有時會遭誤解的關鍵字。本篇文章將簡述其在Java語言中的特性、介紹其和同樣用來處理執行緒安全的關鍵字synchronized有何不同，並佐以簡易的範例code做說明。

When to use volatile

在Java裡，每個執行緒有各自的記憶體空間(working memory)，當執行完一段操作後，執行緒會再將剛才使用到的變數的值更新到主記憶體(main memory)裡。其他執行緒則可從主記憶體讀取到變數的最新值。

上述特性加快了程式處理的效率，但在多執行緒環境裡卻可能為我們帶來變數可視性(visibility)的問題。即當一個變數的讀取和寫入發生在不同的執行緒時，讀取變數的執行緒有時無法及時看到變數的值的改變(被其他執行緒寫入)，導致資料不一致。

此時，可在變數前加上volatile，此變數會改為不使用各執行緒的working memory，永遠從主記憶體做存取與讀寫。

example:

底下的範例程式碼將比較有volatile和沒volatile的差別。

public class VisibilityProblem {
    static int num;
    
    public static void main (String[] args) {

        Thread readerThread = new Thread(() -> {
            int temp = 0;
            while (true) {
                if (temp != num) {
                    temp = num;
                    System.out.println("reader: value of num = " + num);
                }
            }
        });

        Thread writerThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                num++;
                System.out.println("writer: changed value to = " + num);
                
             // 進入睡眠，以讓readerThread有足夠時間讀到int num的改變(因為num++非具原子性的操作，readerThread仍有一定機會讀到錯誤的值)
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            
            //離開程式，否則readerThread會一直等待變數int num的值改變
            System.exit(0);
        });

        readerThread.start();
        writerThread.start();
    }
}

上段程式碼裡，int num為readerThread和writerThread的共用變數，未加volatile修飾的output如下：