@adamhand
2019-01-02T10:58:56.000000Z
字数 7389
阅读 666
volatile让变量每次在使用的时候，都从主存中取。而不是从各个线程的“工作内存”。Volatile 变量具有 synchronized 的可见性性和有序性，但是不具备原子特性，所以，volatile变量并不保证并发的正确性。
在Java内存模型中，有main memory，每个线程也有自己的memory (例如寄存器)。为了性能，一个线程会在自己的memory中保持要访问的变量的副本。这样就会出现同一个变量在某个瞬间，在一个线程的memory中的值可能与另外一个线程memory中的值，或者main memory中的值不一致的情况。一个变量声明为volatile，就意味着这个变量是随时会被其他线程修改的，因此不能将它cache在线程memory中。
假如多个线程同时执行i++，volatile只能保证他们操作的i是同一块内存，但依然可能出现写入脏数据的情况。
volatile是非阻塞的。
- 保证可见性(参看下面的 "Volatile的实现原理")
- 禁止指令重排
这里来看看第二个作用：禁止指令重排。
重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行排序的一种手段，现代 CPU中指令的执行次序不一定按顺序执行，没有相关性的指令可以打乱次序执行，以充分利用 CPU的指令流水线，提高执行速度(具体参见指令重排)。但是重排序也需要遵守一定规则：
- 重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。比如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。
- 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变。
若用volatile修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序
内存屏障是在代码中使用一些特殊指令，如ARM中的dmb、dsb和isb指令，x86中的sfence、lfence和mfence指令。CPU遇到这些特殊指令后，要等待前面的指令执行完成才执行后面的指令。这些指令的作用就好像一道屏障把前后指令隔离开了，防止CPU把前后两段指令颠倒执行(具体参见内存屏障)。
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。
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，如果将值调整为只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）
例子如下：
public class Counter {public static volatile int num = 0;//使用CountDownLatch来等待计算线程执行完static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);public static void main(String []args) throws InterruptedException {//开启30个线程进行累加操作for(int i=0;i<30;i++){new Thread(){public void run(){for(int j=0;j<10000;j++){num++;//自加操作}countDownLatch.countDown();}}.start();}//等待计算线程执行完countDownLatch.await();System.out.println(num);}}
执行结果为(可能每次都不一样，但应该是一个小于300000的数)：
224291
如果用volatile修饰的共享变量可以保证可见性，那么结果应该是300000。
问题就出在num++这个操作上，因为num++不是个原子性的操作，而是个复合操作，由这三步组成:
- 读取
- 加一
- 赋值
所以，在多线程环境下，有可能线程A将num读取到本地内存中，此时其他线程可能已经将num增大了很多，线程A依然对过期的num进行自加，重新写到主存中，最终导致了num的结果不合预期，而是小于300000。
第二个条件可以用下面的一个例子说明：
@NotThreadSafepublic 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；从而仍然需要使用同步。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，使得最后的范围值是 (4, 3) —— 一个无效值。至于针对范围的其他操作，我们需要使 setLower() 和 setUpper() 操作原子化 —— 而将字段定义为 volatile 类型是无法实现这一目的的。
在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。
| 类别 | 代码 |
|---|---|
| Java代码： | instance = new Singleton(); //instance是volatile变量 |
| 汇编代码： | 0x01a3de1d: movb 0x0,(%esp); |
有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。
- 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
- 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。
这就是“缓存一致性”。
很多并发性专家事实上往往引导用户远离 volatile 变量，因为使用它们要比使用锁更加容易出错。然而，如果谨慎地遵循一些良好定义的模式，就能够在很多场合内安全地使用 volatile 变量。要始终牢记使用 volatile 的限制 —— 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile —— 这条规则能够避免将这些模式扩展到不安全的用例。
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。
很多应用程序包含了一种控制结构，形式为 “在还没有准备好停止程序时再执行一些工作”，如清单 2 所示：
清单 2. 将 volatile 变量作为状态标志使用
volatile boolean shutdownRequested;...public void shutdown() { shutdownRequested = true; }public void doWork() {while (!shutdownRequested) {// do stuff}}
很可能会从循环外部调用 shutdown() 方法 —— 即在另一个线程中 —— 因此，需要执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 所示的 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。
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）。
实现安全发布对象的一种技术就是将对象引用定义为 volatile 类型。清单 3 展示了一个示例，其中后台线程在启动阶段从数据库加载一些数据。其他代码在能够利用这些数据时，在使用之前将检查这些数据是否曾经发布过。
清单 3. 将 volatile 变量用于一次性安全发布
public class BackgroundFloobleLoader {public volatile Flooble theFlooble;public void initInBackground() {// do lots of stufftheFlooble = 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 readyif (floobleLoader.theFlooble != null)doSomething(floobleLoader.theFlooble);}}}
如果 theFlooble 引用不是 volatile 类型，doWork() 中的代码在解除对 theFlooble 的引用时，将会得到一个不完全构造的 Flooble。
该模式的一个必要条件是：被发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发布之后永远不会被修改）。volatile 类型的引用可以确保对象的发布形式的可见性，但是如果对象的状态在发布后将发生更改，那么就需要额外的同步。
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。清单 4 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。
清单 4. 将 volatile 变量用于多个独立观察结果的发布
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；将某个值发布以在程序内的其他地方使用，但是与一次性事件的发布不同，这是一系列独立事件。这个模式要求被发布的值是有效不可变的 —— 即值的状态在发布后不会更改。使用该值的代码需要清楚该值可能随时发生变化。
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：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 —— 除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。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，因为当数组引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义）。对于任何 volatile 变量，不变式或约束都不能包含 JavaBean 属性。清单 5 中的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：
清单 5. 遵守 volatile bean 模式的 Person 对象
@ThreadSafepublic 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;}}
前面几节介绍的模式涵盖了大部分的基本用例，在这些模式中使用 volatile 非常有用并且简单。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，必须对假设的条件仔细证明，并且这些模式被严格地封装了起来，因为即使非常小的更改也会损坏您的代码！同样，使用更高级的 volatile 用例的原因是它能够提升性能，确保在开始应用高级模式之前，真正确定需要实现这种性能获益。需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 —— 如果您不需要提升性能（或者不能够通过一个严格的测试程序证明您需要它），那么这很可能是一次糟糕的交易，因为您很可能会得不偿失，换来的东西要比放弃的东西价值更低。
目前为止，您应该了解了 volatile 的功能还不足以实现计数器。因为 ++x 实际上是三种操作（读、添加、存储）的简单组合，如果多个线程凑巧试图同时对 volatile 计数器执行增量操作，那么它的更新值有可能会丢失。
然而，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。清单 6 中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。
清单 6. 结合使用 volatile 和 synchronized 实现 “开销较低的读－写锁”
@ThreadSafepublic 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++;}}
之所以将这种技术称之为 “开销较低的读－写锁” 是因为您使用了不同的同步机制进行读写操作。因为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，您可以在读操作中使用 volatile 确保当前值的可见性，因此可以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，因此当使用 volatile 保证读代码路径时，要比使用锁执行全部代码路径获得更高的共享度 —— 就像读－写操作一样。然而，要随时牢记这种模式的弱点：如果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非常困难。