java多线程编程基础4--正确使用 Volatile 变量

记住一点就是：对数据的操作是分三步：

1.从内存从拿过来

2.更改数据

3.写入内存

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还需要记住一点就是：我们在存储数据的时候，不一定是将数据存放在内存中的，有时

放在寄存器中的。所以多线程操作的时候，共有变量A如果被一个线程操作，并且存放

在寄存器中并没写入到内存中，而另一个线程操作这个变量的时候，将这个变量进行了

更改，那么第一个线程再使用变量的时候就用到了老的数据了，而并不是最新的数据了。

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Volatile 变量的作用就是保证我们使用的变量是最新的，而不会产出脏数据的。

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synchronized关键词就是保证同步，如果有现在在使用这个变量的时候，其他变量是无法用

这个变量的，所以保证了数据的使用是最新的。同一个时间点保证只能有一个线程在操作数据。

其他的连读取都不可以，写也不可以的。

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Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量

volatile 变量使用指南

Brian Goetz?(brian.goetz@sun.com), 高级工程师, Sun Microsystems

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简介：?Java? 语言包含两种内在的同步机制：同步块（或方法）和 volatile 变量。这两种机制的提出都是为了实现代码线程的安全性。其中 Volatile 变量的同步性较差（但有时它更简单并且开销更低），而且其使用也更容易出错。在这期的?Java 理论与实践?中，Brian Goetz 将介绍几种正确使用 volatile 变量的模式，并针对其适用性限制提出一些建议。

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发布日期：?2007 年 7 月 05 日?
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Java 语言中的 volatile 变量可以被看作是一种 “程度较轻的?synchronized”；与?synchronized?块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是?synchronized?的一部分。本文介绍了几种有效使用 volatile 变量的模式，并强调了几种不适合使用 volatile 变量的情形。

锁提供了两种主要特性：互斥（mutual exclusion）?和可见性（visibility）。互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议，这样，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的 —— 如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享变量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。

Volatile 变量

Volatile 变量具有?synchronized?的可见性特性，但是不具备原子特性。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。

正确使用 volatile 变量的条件

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。

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  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，如果将值调整为只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）

  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。清单 1 显示了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。

  
  清单 1. 非线程安全的数值范围类
  

  性能考虑
  使用 volatile 变量的主要原因是其简易性：在某些情形下，使用 volatile 变量要比使用相应的锁简单得多。使用 volatile 变量次要原因是其性能：某些情况下，volatile 变量同步机制的性能要优于锁。
  很难做出准确、全面的评价，例如 “X 总是比 Y 快”，尤其是对 JVM 内在的操作而言。（例如，某些情况下 VM 也许能够完全删除锁机制，这使得我们难以抽象地比较?volatile?和?synchronized?的开销。）就是说，在目前大多数的处理器架构上，volatile 读操作开销非常低 —— 几乎和非 volatile 读操作一样。而 volatile 写操作的开销要比非 volatile 写操作多很多，因为要保证可见性需要实现内存界定（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阻塞，因此，在能够安全使用 volatile 的情况下，volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。如果读操作的次数要远远超过写操作，与锁相比，volatile 变量通常能够减少同步的性能开销。
  正确使用 volatile 的模式
  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。
  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。
  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
  模式 #2：一次性安全发布（one-time safe publication）
  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
  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。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
  模式 #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：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
  volatile 的高级模式
  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。
  模式 #5：开销较低的读－写锁策略
  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”?
  结束语
  与锁相比，Volatile 变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。如果严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 —— 在某些情况下可以使用?volatile?代替?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容易出错。本文介绍的模式涵盖了可以使用?volatile?代替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）可以帮助您安全地实现大多数用例，使用 volatile 变量获得更佳性能。
  
  参考资料
  学习
  您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的?英文原文?。
  
  Java Concurrency in Practice?：使用 Java 代码开发并发程序的 how-to 手册，内容包括构建并编写线程安全的类和程序、避免性能影响、管理性能和测试并发应用程序。
  
  流行的原子：介绍了 Java 5.0 中新增的原子变量类，该特性对 volatile 变量进行了扩展，从而支持原子状态转换。
  
  非阻塞算法简介：介绍如何使用原子变量而不是锁实现并发算法。
  
  Volatiles：从 Wikipedia 获得关于 volatile 变量的更多信息。
  
  Java 技术专区：提供了数百篇有关 Java 编程各个方面的文章。
  
  讨论
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  关于作者
  Brian Goetz 作为一名专业软件开发人员已经 20 年了。他是 Sun Microsystems 的高级资深工程师 ，为多个 JCP Expert Group 服务。Brian 的著作?Java Concurrency In Practice?在 2006 年 5 月由 Addison-Wesley 出版。请参阅 Brian 在业界主流刊物上?已经发表和即将发表的文章。
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