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Java volatile的适用场景实例详解

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把代码块声明为 synchronized,有两个重要后果,通常是指该代码具有 原子性(atomicity)和 可见性(visibility)。

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。

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:

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。

//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:

  1. 线程 1 进入 getInstance() 方法。
  2. 由于 instance 为 null,线程 1 在 //1 处进入synchronized 块。
  3. 线程 1 前进到 //3 处,但在构造函数执行之前,使实例成为非null。
  4. 线程 1 被线程 2 预占。
  5. 线程 2 检查实例是否为 null。因为实例不为 null,线程 2 将instance 引用返回,返回一个构造完整但部分初始化了的Singleton 对象。
  6. 线程 2 被线程 1 预占。
  7. 线程 1 通过运行 Singleton 对象的构造函数并将引用返回给它,来完成对该对象的初始化。

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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