【Java线程】volatile的适用场景

volatile的使用条件

 

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。

 

Volatile 变量可用于提供线程安全，但是只能应用于非常有限的一组用例：多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。因此，单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具有与多个变量相关的不变式（Invariants）的类（例如 “start <=end”）。

 

出于简易性或可伸缩性的考虑，您可能倾向于使用 volatile 变量而不是锁。当使用 volatile 变量而非锁时，某些习惯用法（idiom）更加易于编码和阅读。此外，volatile 变量不会像锁那样造成线程阻塞，因此也很少造成可伸缩性问题。在某些情况下，如果读操作远远大于写操作，volatile 变量还可以提供优于锁的性能优势。

 

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使用条件

 

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：
对变量的写操作不依赖于当前值。该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作（x++）看上去类似一个单独操作，实际上它是一个由（读取－修改－写入）操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操作需要使x 的值在操作期间保持不变，而 volatile 变量无法实现这点。（然而，如果只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）

 

反例

大多数编程情形都会与这两个条件的其中之一冲突，使得 volatile 变量不能像 synchronized 那样普遍适用于实现线程安全。

【反例：volatile变量不能用于约束条件中】 下面是一个非线程安全的数值范围类。它包含了一个不变式 —— 下界总是小于或等于上界

@NotThreadSafe

public class NumberRange {

    private int lower, upper;

 

    public int getLower() { return lower; }

    public int getUpper() { return upper; }

 

    public void setLower(int value) {

        if (value > upper)

            throw new IllegalArgumentException(...);

        lower = value;

    }

 

    public void setUpper(int value) {

        if (value < lower)

            throw new IllegalArgumentException(...);

        upper = value;

    }

}

将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不能够充分实现类的线程安全；而仍然需要使用同步——使
setLower() 和 setUpper() 操作原子化。

 

否则，如果凑巧两个线程在同一时间使用不一致的值执行

 

setLower 和 setUpper 的话，则会使范围处于不一致的状态。例如，如果初始状态是(0, 5)，同一时间内，线程 A 调用setLower(4) 并且线程 B 调用setUpper(3)，显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，使得最后的范围值是(4,3) —— 一个无效值。

 

volatile的适用场景

 

模式 #1：状态标志

 

也许实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。

volatile boolean shutdownRequested;



...



public void shutdown() {

    shutdownRequested = true;

}



public void doWork() {

    while (!shutdownRequested) {

        // do stuff

    }

线程1执行doWork()的过程中，可能有另外的线程2调用了shutdown，所以boolean变量必须是volatile。

而如果使用 synchronized 块编写循环要比使用 volatile 状态标志编写麻烦很多。由于 volatile 简化了编码，并且状态标志并不依赖于程序内任何其他状态，因此此处非常适合使用 volatile。

 

这种类型的状态标记的一个公共特性是：通常只有一种状态转换；shutdownRequested 标志从false 转换为true，然后程序停止。这种模式可以扩展到来回转换的状态标志，但是只有在转换周期不被察觉的情况下才能扩展（从false 到true，再转换到false）。此外，还需要某些原子状态转换机制，例如原子变量。

 

模式 #2：一次性安全发布（one-time safe publication）

 

在缺乏同步的情况下，可能会遇到某个对象引用的更新值（由另一个线程写入）和该对象状态的旧值同时存在。

 

这就是造成著名的双重检查锁定（double-checked-locking）问题的根源，其中对象引用在没有同步的情况下进行读操作，产生的问题是您可能会看到一个更新的引用，但是仍然会通过该引用看到不完全构造的对象。参见：【设计模式】5.单例模式（以及多线程、无序写入、volatile对单例的影响）

//注意volatile！！！！！！！！！！！！！！！！！  

private volatile static Singleton instace;



public static Singleton getInstance(){

    //第一次null检查     

    if(instance == null){

        synchronized(Singleton.class) {    //1

            //第二次null检查       

            if(instance == null){          //2  

                instance = new Singleton();//3  

            }

        }

    }

    return instance;        

如果不用volatile，则因为内存模型允许所谓的“无序写入”，可能导致失败。——某个线程可能会获得一个未完全初始化的实例。
考察上述代码中的 //3 行。此行代码创建了一个 Singleton 对象并初始化变量 instance 来引用此对象。这行代码的问题是：在Singleton 构造函数体执行之前，变量instance 可能成为非 null 的！

什么？这一说法可能让您始料未及，但事实确实如此。

在解释这个现象如何发生前，请先暂时接受这一事实，我们先来考察一下双重检查锁定是如何被破坏的。假设上述代码执行以下事件序列：

 模式 #3：独立观察（independent observation）

安全使用 volatile 的另一种简单模式是：定期 “发布” 观察结果供程序内部使用。【例如】假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包含当前文档的 volatile 变量。然后，其他线程可以读取这个变量，从而随时能够看到最新的温度值。

使用该模式的另一种应用程序就是收集程序的统计信息。【例】如下代码展示了身份验证机制如何记忆最近一次登录的用户的名字。将反复使用lastUser 引用来发布值，以供程序的其他部分使用。

public class UserManager {

    public volatile String lastUser; //发布的信息



    public boolean authenticate(String user, String password) {

        boolean valid = passwordIsValid(user, password);

        if (valid) {

            User u = new User();

            activeUsers.add(u);

            lastUser = user;

        }

        return valid;

    }

} 

模式 #4：“volatile bean” 模式

 

volatile bean 模式的基本原理是：很多框架为易变数据的持有者（例如 HttpSession）提供了容器，但是放入这些容器中的对象必须是线程安全的。

 

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的，并且 getter 和 setter 方法必须非常普通——即不包含约束！

@ThreadSafe

public class Person {

    private volatile String firstName;

    private volatile String lastName;

    private volatile int age;



    public String getFirstName() { return firstName; }

    public String getLastName() { return lastName; }

    public int getAge() { return age; }



    public void setFirstName(String firstName) {

        this.firstName = firstName;

    }



    public void setLastName(String lastName) {

        this.lastName = lastName;

    }



    public void setAge(int age) {

        this.age = age;

    }

}

模式 #5：开销较低的“读－写锁”策略

如果读操作远远超过写操作，您可以结合使用内部锁和 volatile 变量来减少公共代码路径的开销。

如下显示的线程安全的计数器，使用 synchronized 确保增量操作是原子的，并使用 volatile 保证当前结果的可见性。如果更新不频繁的话，该方法可实现更好的性能，因为读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操作，这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

@ThreadSafe

public class CheesyCounter {

    // Employs the cheap read-write lock trick

    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held

    @GuardedBy("this") private volatile int value;



    //读操作，没有synchronized，提高性能

    public int getValue() {

        return value;

    }



    //写操作，必须synchronized。因为x++不是原子操作

    public synchronized int increment() {

        return value++;

    }

使用锁进行所有变化的操作，使用 volatile 进行只读操作。

其中，锁一次只允许一个线程访问值，volatile 允许多个线程执行读操作

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