Java volatile的適用場景實例詳解
把代碼塊聲明為 synchronized,有兩個重要后果,通常是指該代碼具有 原子性(atomicity)和 可見性(visibility)。
- 原子性意味著個時刻,只有一個線程能夠執(zhí)行一段代碼,這段代碼通過一個monitor object保護(hù)。從而防止多個線程在更新共享狀態(tài)時相互沖突。
- 可見性則更為微妙,它必須確保釋放鎖之前對共享數(shù)據(jù)做出的更改對于隨后獲得該鎖的另一個線程是可見的。 —— 如果沒有同步機(jī)制提供的這種可見性保證,線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值,這將引發(fā)許多嚴(yán)重問題。
volatile的使用條件
Volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性,但是不具備原子性。這就是說線程能夠自動發(fā)現(xiàn) volatile 變量的最新值。
Volatile 變量可用于提供線程安全,但是只能應(yīng)用于非常有限的一組用例:多個變量之間或者某個變量的當(dāng)前值與修改后值之間沒有約束。因此,單獨(dú)使用 volatile 還不足以實現(xiàn)計數(shù)器、互斥鎖或任何具有與多個變量相關(guān)的不變式(Invariants)的類(例如 “start <=end”)。
出于簡易性或可伸縮性的考慮,您可能傾向于使用 volatile 變量而不是鎖。當(dāng)使用 volatile 變量而非鎖時,某些習(xí)慣用法(idiom)更加易于編碼和閱讀。此外,volatile 變量不會像鎖那樣造成線程阻塞,因此也很少造成可伸縮性問題。在某些情況下,如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作,volatile 變量還可以提供優(yōu)于鎖的性能優(yōu)勢。
使用條件
您只能在有限的一些情形下使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
- 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
- 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。
實際上,這些條件表明,可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài),包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。
第一個條件的限制使 volatile 變量不能用作線程安全計數(shù)器。雖然增量操作(x++)看上去類似一個單獨(dú)操作,實際上它是一個由(讀取-修改-寫入)操作序列組成的組合操作,必須以原子方式執(zhí)行,而 volatile 不能提供必須的原子特性。實現(xiàn)正確的操作需要使x 的值在操作期間保持不變,而 volatile 變量無法實現(xiàn)這點(diǎn)。(然而,如果只從單個線程寫入,那么可以忽略第一個條件。)
反例
大多數(shù)編程情形都會與這兩個條件的其中之一沖突,使得 volatile 變量不能像 synchronized 那樣普遍適用于實現(xiàn)線程安全。
【反例:volatile變量不能用于約束條件中】 下面是一個非線程安全的數(shù)值范圍類。它包含了一個不變式 —— 下界總是小于或等于上界
@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;
}
}
將 lower 和 upper 字段定義為 volatile 類型不能夠充分實現(xiàn)類的線程安全;而仍然需要使用同步——使 setLower() 和 setUpper() 操作原子化。
否則,如果湊巧兩個線程在同一時間使用不一致的值執(zhí)行 setLower 和 setUpper 的話,則會使范圍處于不一致的狀態(tài)。例如,如果初始狀態(tài)是(0, 5),同一時間內(nèi),線程 A 調(diào)用setLower(4) 并且線程 B 調(diào)用setUpper(3),顯然這兩個操作交叉存入的值是不符合條件的,那么兩個線程都會通過用于保護(hù)不變式的檢查,使得最后的范圍值是(4, 3) —— 一個無效值。
volatile的適用場景
模式 #1:狀態(tài)標(biāo)志
也許實現(xiàn) volatile 變量的規(guī)范使用僅僅是使用一個布爾狀態(tài)標(biāo)志,用于指示發(fā)生了一個重要的一次性事件,例如完成初始化或請求停機(jī)。
volatile boolean shutdownRequested;
...
public void shutdown() {
shutdownRequested = true;
}
public void doWork() {
while (!shutdownRequested) {
// do stuff
}
}
線程1執(zhí)行doWork()的過程中,可能有另外的線程2調(diào)用了shutdown,所以boolean變量必須是volatile。
而如果使用 synchronized 塊編寫循環(huán)要比使用 volatile 狀態(tài)標(biāo)志編寫麻煩很多。由于 volatile 簡化了編碼,并且狀態(tài)標(biāo)志并不依賴于程序內(nèi)任何其他狀態(tài),因此此處非常適合使用 volatile。
這種類型的狀態(tài)標(biāo)記的一個公共特性是:通常只有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換;shutdownRequested 標(biāo)志從false 轉(zhuǎn)換為true,然后程序停止。這種模式可以擴(kuò)展到來回轉(zhuǎn)換的狀態(tài)標(biāo)志,但是只有在轉(zhuǎn)換周期不被察覺的情況下才能擴(kuò)展(從false 到true,再轉(zhuǎn)換到false)。此外,還需要某些原子狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制,例如原子變量。
模式 #2:一次性安全發(fā)布(one-time safe publication)
在缺乏同步的情況下,可能會遇到某個對象引用的更新值(由另一個線程寫入)和該對象狀態(tài)的舊值同時存在。
這就是造成著名的雙重檢查鎖定(double-checked-locking)問題的根源,其中對象引用在沒有同步的情況下進(jìn)行讀操作,產(chǎn)生的問題是您可能會看到一個更新的引用,但是仍然會通過該引用看到不完全構(gòu)造的對象。
//注意volatile?。。。。。。。。。。。。。。。?!
private volatile static Singleton instace;
public static Singleton getInstance(){
//第一次null檢查
if(instance == null){
synchronized(Singleton.class) { //1
//第二次null檢查
if(instance == null){ //2
instance = new Singleton();//3
}
}
}
return instance;
如果不用volatile,則因為內(nèi)存模型允許所謂的“無序?qū)懭搿?,可能?dǎo)致失敗?!硞€線程可能會獲得一個未完全初始化的實例。
考察上述代碼中的 //3 行。此行代碼創(chuàng)建了一個 Singleton 對象并初始化變量 instance 來引用此對象。這行代碼的問題是:在Singleton 構(gòu)造函數(shù)體執(zhí)行之前,變量instance 可能成為非 null 的!
什么?這一說法可能讓您始料未及,但事實確實如此。
在解釋這個現(xiàn)象如何發(fā)生前,請先暫時接受這一事實,我們先來考察一下雙重檢查鎖定是如何被破壞的。假設(shè)上述代碼執(zhí)行以下事件序列:
- 線程 1 進(jìn)入 getInstance() 方法。
- 由于 instance 為 null,線程 1 在 //1 處進(jìn)入synchronized 塊。
- 線程 1 前進(jìn)到 //3 處,但在構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行之前,使實例成為非null。
- 線程 1 被線程 2 預(yù)占。
- 線程 2 檢查實例是否為 null。因為實例不為 null,線程 2 將instance 引用返回,返回一個構(gòu)造完整但部分初始化了的Singleton 對象。
- 線程 2 被線程 1 預(yù)占。
- 線程 1 通過運(yùn)行 Singleton 對象的構(gòu)造函數(shù)并將引用返回給它,來完成對該對象的初始化。
模式 #3:獨(dú)立觀察(independent observation)
安全使用 volatile 的另一種簡單模式是:定期 “發(fā)布” 觀察結(jié)果供程序內(nèi)部使用。【例如】假設(shè)有一種環(huán)境傳感器能夠感覺環(huán)境溫度。一個后臺線程可能會每隔幾秒讀取一次該傳感器,并更新包含當(dāng)前文檔的 volatile 變量。然后,其他線程可以讀取這個變量,從而隨時能夠看到最新的溫度值。
使用該模式的另一種應(yīng)用程序就是收集程序的統(tǒng)計信息?!纠咳缦麓a展示了身份驗證機(jī)制如何記憶最近一次登錄的用戶的名字。將反復(fù)使用lastUser 引用來發(fā)布值,以供程序的其他部分使用。
public class UserManager {
public volatile String lastUser; //發(fā)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:很多框架為易變數(shù)據(jù)的持有者(例如 HttpSession)提供了容器,但是放入這些容器中的對象必須是線程安全的。
在 volatile bean 模式中,JavaBean 的所有數(shù)據(jù)成員都是 volatile 類型的,并且 getter 和 setter 方法必須非常普通——即不包含約束!
@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:開銷較低的“讀-寫鎖”策略
如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作,您可以結(jié)合使用內(nèi)部鎖和 volatile 變量來減少公共代碼路徑的開銷。
如下顯示的線程安全的計數(shù)器,使用 synchronized 確保增量操作是原子的,并使用 volatile 保證當(dāng)前結(jié)果的可見性。如果更新不頻繁的話,該方法可實現(xiàn)更好的性能,因為讀路徑的開銷僅僅涉及 volatile 讀操作,這通常要優(yōu)于一個無競爭的鎖獲取的開銷。
@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;
//讀操作,沒有synchronized,提高性能
public int getValue() {
return value;
}
//寫操作,必須synchronized。因為x++不是原子操作
public synchronized int increment() {
return value++;
}
使用鎖進(jìn)行所有變化的操作,使用 volatile 進(jìn)行只讀操作。
其中,鎖一次只允許一個線程訪問值,volatile 允許多個線程執(zhí)行讀操作
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