Java并发之volatile二

Posted 2020-10-03 wzzkaifa

使用volatilekeyword的场景

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性。可是不具备原子特性。这就是说线程可以自己主动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全，可是仅仅能应用于很有限的一组用例：多个变量之间或者某个变量的当前值与改动后值之间没有约束。

因此。单独使用 volatile 还不足以实现计数器、相互排斥锁或不论什么具有与多个变量相关的不变式（Invariants）的类（比如 “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，某些习惯使用方法（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堵塞。因此也非常少造成可伸缩性问题。在某些情况下，假设读操作远远大于写操作，volatile 变量还能够提供优于锁的性能优势。
正确使用 volatile 变量的条件
您仅仅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，必须同一时候满足以下两个条件：
（1）对变量的写操作不依赖于当前值。
（2）该变量没有包括在具有其它变量的不变式中。
实际上，这些条件表明。能够被写入 volatile 变量的这些有效值独立于不论什么程序的状态，包含变量的当前状态。

第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。

尽管增量操作（x++）看上去类似一个单独操作。实际上它是一个由读取－改动－写入操作序列组成的组合操作。必须以原子方式运行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操作须要使 x 的值在操作期间保持不变。而 volatile 变量无法实现这点。（然而，假设将值调整为仅仅从单个线程写入。那么能够忽略第一个条件。

）
大多数编程情形都会与这两个条件的当中之中的一个冲突，使得 volatile 变量不能像 synchronized 那样普遍适用于实现线程安全。

性能上：使用 volatile 变量要比使用对应的锁简单得多。在眼下大多数的处理器架构上。volatile 读操作开销非常低 —— 差点儿和非 volatile 读操作一样。而 volatile 写操作的开销要比非 volatile 写操作多非常多，由于要保证可见性须要实现内存界定（Memory Fence）。即便如此，volatile 的总开销仍然要比锁获取低。

volatile 操作不会像锁一样造成堵塞，因此。在可以安全使用 volatile 的情况下，volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。

假设读操作的次数要远远超过写操作。与锁相比，volatile 变量通常可以降低同步的性能开销。

Java中使用volatile的几个场景：

1.状态标记量

volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

非常可能会从循环外部调用 shutdown() 方法 —— 即在还有一个线程中 —— 因此，须要运行某种同步来确保正确实现 shutdownRequested 变量的可见性。（可能会从 JMX 侦听程序、GUI 事件线程中的操作侦听程序、通过 RMI 、通过一个 Web 服务等调用）。

然而。使用 synchronized 块编写循环要比使用清单 2 所看到的的 volatile 状态标志编写麻烦非常多。因为 volatile 简化了编码，而且状态标志并不依赖于程序内不论什么其它状态。因此此处很适合使用 volatile。

这样的类型的状态标记的一个公共特性是：通常仅仅有一种状态转换；shutdownRequested 标志从 false 转换为 true。然后程序停止。这样的模式能够扩展到来回转换的状态标志，可是仅仅有在转换周期不被察觉的情况下才干扩展（从 false 到 true，再转换到 false）。此外。还须要某些原子状态转换机制。比如原子变量。

2一次性安全公布

缺乏同步会导致无法实现可见性，这使得确定何时写入对象引用而不是原语值变得更加困难。在缺乏同步的情况下，可能会遇到某个对象引用的更新值（由还有一个线程写入）和该对象状态的旧值同一时候存在。（这就是造成著名的双重检查锁定（double-checked-locking）问题的根源。当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，可是仍然会通过该引用看到不全然构造的对象）。

实现安全公布对象的一种技术就是将对象引用定义为 volatile 类型。 展示了一个演示样例，当中后台线程在启动阶段从数据库载入一些数据。

其它代码在可以利用这些数据时，在使用之前将检查这些数据是否以前公布过。

public class BackgroundFloobleLoader {
    public volatile Flooble theFlooble;

    public void initInBackground() {
        // do lots of stuff
        theFlooble = new Flooble();  // this is the only write to theFlooble
    }
}

public class SomeOtherClass {
    public void doWork() {
        while (true) { 
            // do some stuff...
            // use the Flooble, but only if it is ready
            if (floobleLoader.theFlooble != null) 
                doSomething(floobleLoader.theFlooble);
        }
    }
}

假设 theFlooble 引用不是 volatile 类型，doWork() 中的代码在解除对 theFlooble 的引用时。将会得到一个不全然构造的 Flooble。

该模式的一个必要条件是：被公布的对象必须是线程安全的。或者是有效的不可变对象（有效不可变意味着对象的状态在公布之后永远不会被改动）。

volatile 类型的引用能够确保对象的公布形式的可见性，可是假设对象的状态在公布后将发生更改，那么就须要额外的同步。

3、独立观察

安全使用 volatile 的还有一种简单模式是：定期 “公布” 观察结果供程序内部使用。比如，如果有一种环境传感器可以感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包括当前文档的 volatile 变量。然后，其它线程可以读取这个变量，从而随时可以看到最新的温度值。
使用该模式的还有一种应用程序就是收集程序的统计信息。以下展示了身份验证机制怎样记忆近期一次登录的用户的名字。将重复使用 lastUser 引用来公布值，以供程序的其它部分使用。

public class UserManager {
    public volatile String lastUser;

    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;
    }
}

该模式是前面模式的扩展。将某个值公布以在程序内的其它地方使用，可是与一次性事件的公布不同，这是一系列独立事件。

这个模式要求被公布的值是有效不可变的 —— 即值的状态在公布后不会更改。使用该值的代码须要清楚该值可能随时发生变化。

4：“volatile bean” 模式

volatile bean 模式适用于将 JavaBeans 作为“荣誉结构”使用的框架。在 volatile bean 模式中。JavaBean 被用作一组具有 getter 和/或 setter 方法 的独立属性的容器。volatile bean 模式的基本原理是：非常多框架为易变数据的持有者（比如 HttpSession）提供了容器，可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 的全部数据成员都是 volatile 类型的，而且 getter 和 setter 方法必须很普通 —— 除了获取或设置对应的属性外，不能包括不论什么逻辑。此外，对于对象引用的数据成员。引用的对象必须是有效不可变的。（这将禁止具有数组值的属性，由于当数组引用被声明为 volatile 时，仅仅有引用而不是数组本身具有 volatile 语义）。

对于不论什么 volatile 变量，不变式或约束都不能包括 JavaBean 属性。演示样例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：

@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;
    }
}

volatile 的高级模式
在上面这些模式中使用 volatile 很实用而且简单。这一节将介绍一种更加高级的模式。在该模式中，volatile 将提供性能或可伸缩性优势。
volatile 应用的的高级模式非常脆弱。因此，必须对如果的条件细致证明，而且这些模式被严格地封装了起来，由于即使非常小的更改也会损坏您的代码。相同。使用更高级的 volatile 用例的原因是它可以提升性能。确保在開始应用高级模式之前，真正确定须要实现这样的性能获益。

须要对这些模式进行权衡，放弃可读性或可维护性来换取可能的性能收益 —— 如果您不须要提升性能（或者不可以通过一个严格的測试程序证明您须要它），那么这非常可能是一次糟糕的交易。由于您非常可能会得不偿失，换来的东西要比放弃的东西价值更低。
5、开销较低的读－写锁策略
眼下为止，您应该了解了 volatile 的功能还不足以实现计数器。

由于 ++x 实际上是三种操作（读、加入、存储）的简单组合，假设多个线程凑巧试图同一时候对 volatile 计数器运行增量操作，那么它的更新值有可能会丢失。
然而，假设读操作远远超过写操作，您能够结合使用内部锁和 volatile 变量来降低公共代码路径的开销。

以下代码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。假设更新不频繁的话。该方法可实现更好的性能，由于读路径的开销只涉及 volatile 读操作，这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

<span style="font-size:18px;">@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;

    public int getValue() { return value; }

    public synchronized int increment() {
        return value++;
    }
}</span>

之所以将这样的技术称之为 “开销较低的读－写锁” 是由于您使用了不同的同步机制进行读写操作。由于本例中的写操作违反了使用 volatile 的第一个条件，因此不能使用 volatile 安全地实现计数器 —— 您必须使用锁。然而，您能够在读操作中使用 volatile 确保当前值的可见性，因此能够使用锁进行全部变化的操作。使用 volatile 进行仅仅读操作。当中。锁一次仅仅同意一个线程訪问值。volatile 同意多个线程运行读操作，因此当使用 volatile 保证读代码路径时，要比使用锁运行所有代码路径获得更高的共享度 —— 就像读－写操作一样。然而。要随时牢记这样的模式的弱点：假设超越了该模式的最基本应用，结合这两个竞争的同步机制将变得很困难。

结束语
与锁相比，Volatile 变量是一种很easy但同一时候又很脆弱的同步机制。它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。假设严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其它变量和自己曾经的值 —— 在某些情况下能够使用 volatile 取代 synchronized 来简化代码。然而。使用 volatile 的代码往往比使用锁的代码更加easy出错。

本文介绍的模式涵盖了能够使用 volatile 取代 synchronized 的最常见的一些用例。遵循这些模式（注意使用时不要超过各自的限制）能够帮助您安全地实现大多数用例。使用 volatile 变量获得更佳性能。

參考http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html