volatile 變量提供了線程的可見性，并不能保證線程安全性和原子性。
什么是線程的可見性：
鎖提供了兩種主要特性：互斥(mutual exclusion) 和可見性(visibility)。互斥即一次只允許一個線程持有某個特定的鎖，因此可使用該特性實現(xiàn)對共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議，這樣，一次就只有一個線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)。可見性要更加復(fù)雜一些，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)許多嚴重問題。
具體看volatile的語義：
volatile相當(dāng)于synchronized的弱實現(xiàn)，也就是說volatile實現(xiàn)了類似synchronized的語義，卻又沒有鎖機制。它確保對volatile字段的更新以可預(yù)見的方式告知其他的線程。
volatile包含以下語義：
(1)Java 存儲模型不會對valatile指令的操作進行重排序：這個保證對volatile變量的操作時按照指令的出現(xiàn)順序執(zhí)行的。
(2)volatile變量不會被緩存在寄存器中(只有擁有線程可見)或者其他對CPU不可見的地方，每次總是從主存中讀取volatile變量的結(jié)果。也就是說對于volatile變量的修改，其它線程總是可見的，并且不是使用自己線程棧內(nèi)部的變量。也就是在happens-before法則中，對一個valatile變量的寫操作后，其后的任何讀操作理解可見此寫操作的結(jié)果。
盡管volatile變量的特性不錯，但是volatile并不能保證線程安全的，也就是說volatile字段的操作不是原子性的，volatile變量只能保證可見性(一個線程修改后其它線程能夠理解看到此變化后的結(jié)果)，要想保證原子性，目前為止只能加鎖!
使用Volatile的原則：
應(yīng)用volatile變量的三個原則：
(1)寫入變量不依賴此變量的值，或者只有一個線程修改此變量
(2)變量的狀態(tài)不需要與其它變量共同參與不變約束
(3)訪問變量不需要加鎖
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨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。(然而，如果將值調(diào)整為只從單個線程寫入，那么可以忽略第一個條件。)
大多數(shù)編程情形都會與這三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。清單 1 顯示了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。
正確使用volatile:
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。
很多應(yīng)用程序包含了一種控制結(jié)構(gòu)，形式為 "在還沒有準備好停止程序時再執(zhí)行一些工作",如清單 2 所示：
清單 2. 將 volatile 變量作為狀態(tài)標(biāo)志使用
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volatile boolean shutdownRequested; … public void shutdown() { shutdownRequested = true; } public void doWork() { while (!shutdownRequested) { // do stuff } } |
很可能會從循環(huán)外部調(diào)用 shutdown() 方法 -- 即在另一個線程中 -- 因此，需要執(zhí)行某種同步來確保正確實現(xiàn) shutdownRequested變量的可見性。(可能會從 JMX 偵聽程序、GUI 事件線程中的操作偵聽程序、通過 RMI 、通過一個 Web 服務(wù)等調(diào)用)。然而，使用synchronized 塊編寫循環(huán)要比使用清單 2 所示的 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)換機制，例如原子變量。
模式 #2:一次性安全發(fā)布(one-time safe publication)
缺乏同步會導(dǎo)致無法實現(xiàn)可見性，這使得確定何時寫入對象引用而不是原語值變得更加困難。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)。
實現(xiàn)安全發(fā)布對象的一種技術(shù)就是將對象引用定義為 volatile 類型。清單 3 展示了一個示例，其中后臺線程在啟動階段從數(shù)據(jù)庫加載一些數(shù)據(jù)。其他代碼在能夠利用這些數(shù)據(jù)時，在使用之前將檢查這些數(shù)據(jù)是否曾經(jīng)發(fā)布過。
清單 3. 將 volatile 變量用于一次性安全發(fā)布
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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); } } } |
如果 theFlooble 引用不是 volatile 類型，doWork() 中的代碼在解除對 theFlooble 的引用時，將會得到一個不完全構(gòu)造的 Flooble.
該模式的一個必要條件是：被發(fā)布的對象必須是線程安全的，或者是有效的不可變對象(有效不可變意味著對象的狀態(tài)在發(fā)布之后永遠不會被修改)。volatile 類型的引用可以確保對象的發(fā)布形式的可見性，但是如果對象的狀態(tài)在發(fā)布后將發(fā)生更改，那么就需要額外的同步。
模式 #3:獨立觀察(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。清單 4 展示了身份驗證機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。
清單 4. 將 volatile 變量用于多個獨立觀察結(jié)果的發(fā)布
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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; } } |
該模式是前面模式的擴展;將某個值發(fā)布以在程序內(nèi)的其他地方使用，但是與一次性事件的發(fā)布不同，這是一系列獨立事件。這個模式要求被發(fā)布的值是有效不可變的 -- 即值的狀態(tài)在發(fā)布后不會更改。使用該值的代碼需要清楚該值可能隨時發(fā)生變化。
模式 #4:"volatile bean" 模式
volatile bean 模式適用于將 JavaBeans 作為"榮譽結(jié)構(gòu)"使用的框架。在 volatile bean 模式中，JavaBean 被用作一組具有 getter 和/或 setter 方法 的獨立屬性的容器。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 -- 除了獲取或設(shè)置相應(yīng)的屬性外，不能包含任何邏輯。此外，對于對象引用的數(shù)據(jù)成員，引用的對象必須是有效不可變的。(這將禁止具有數(shù)組值的屬性，因為當(dāng)數(shù)組引用被聲明為 volatile 時，只有引用而不是數(shù)組本身具有 volatile 語義)。對于任何 volatile 變量，不變式或約束都不能包含 JavaBean 屬性。清單 5 中的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean:
模式 #4:"volatile bean" 模式
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@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 的高級模式
前面幾節(jié)介紹的模式涵蓋了大部分的基本用例，在這些模式中使用 volatile 非常有用并且簡單。這一節(jié)將介紹一種更加高級的模式，在該模式中，volatile 將提供性能或可伸縮性優(yōu)勢。
volatile 應(yīng)用的的高級模式非常脆弱。因此，必須對假設(shè)的條件仔細證明，并且這些模式被嚴格地封裝了起來，因為即使非常小的更改也會損壞您的代碼!同樣，使用更高級的 volatile 用例的原因是它能夠提升性能，確保在開始應(yīng)用高級模式之前，真正確定需要實現(xiàn)這種性能獲益。需要對這些模式進行權(quán)衡，放棄可讀性或可維護性來換取可能的性能收益 -- 如果您不需要提升性能(或者不能夠通過一個嚴格的測試程序證明您需要它)，那么這很可能是一次糟糕的交易，因為您很可能會得不償失，換來的東西要比放棄的東西價值更低。
模式 #5:開銷較低的讀-寫鎖策略
目前為止，您應(yīng)該了解了 volatile 的功能還不足以實現(xiàn)計數(shù)器。因為 ++x 實際上是三種操作(讀、添加、存儲)的簡單組合，如果多個線程湊巧試圖同時對 volatile 計數(shù)器執(zhí)行增量操作，那么它的更新值有可能會丟失。
然而，如果讀操作遠遠超過寫操作，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。清單 6 中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。
清單 6. 結(jié)合使用 volatile 和 synchronized 實現(xiàn) "開銷較低的讀-寫鎖"
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@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++; } } |
之所以將這種技術(shù)稱之為 "開銷較低的讀-寫鎖" 是因為您使用了不同的同步機制進行讀寫操作。因為本例中的寫操作違反了使用 volatile 的第一個條件，因此不能使用 volatile 安全地實現(xiàn)計數(shù)器 -- 您必須使用鎖。然而，您可以在讀操作中使用 volatile 確保當(dāng)前值的可見性，因此可以使用鎖進行所有變化的操作，使用 volatile 進行只讀操作。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，因此當(dāng)使用 volatile 保證讀代碼路徑時，要比使用鎖執(zhí)行全部代碼路徑獲得更高的共享度 -- 就像讀-寫操作一樣。然而，要隨時牢記這種模式的弱點：如果超越了該模式的最基本應(yīng)用，結(jié)合這兩個競爭的同步機制將變得非常困難。
關(guān)于指令重排序與Happens-before法則
1、令重排序
Java語言規(guī)范規(guī)定了JVM線程內(nèi)部維持順序化語義，也就是說只要程序的最終結(jié)果等同于它在嚴格的順序化環(huán)境下的結(jié)果，那么指令的執(zhí)行順序就可能與代碼的順序不一致。這個過程通過叫做指令的重排序。指令重排序存在的意義在于：JVM能夠根據(jù)處理器的特性(CPU的多級緩存系統(tǒng)、多核處理器等)適當(dāng)?shù)闹匦屡判驒C器指令，使機器指令更符合CPU的執(zhí)行特點，最大限度的發(fā)揮機器的性能。
程序執(zhí)行最簡單的模型是按照指令出現(xiàn)的順序執(zhí)行，這樣就與執(zhí)行指令的CPU無關(guān)，最大限度的保證了指令的可移植性。這個模型的專業(yè)術(shù)語叫做順序化一致性模型。但是現(xiàn)代計算機體系和處理器架構(gòu)都不保證這一點(因為人為的指定并不能總是保證符合CPU處理的特性)。
2、appens-before法則
Java存儲模型有一個happens-before原則，就是如果動作B要看到動作A的執(zhí)行結(jié)果(無論A/B是否在同一個線程里面執(zhí)行)，那么A/B就需要滿足happens-before關(guān)系。
在介紹happens-before法則之前介紹一個概念：JMM動作(Java Memeory Model Action)，Java存儲模型動作。一個動作(Action)包括：變量的讀寫、監(jiān)視器加鎖和釋放鎖、線程的start()和join()。后面還會提到鎖的的。
happens-before完整規(guī)則：
(1)同一個線程中的每個Action都happens-before于出現(xiàn)在其后的任何一個Action.
(2)對一個監(jiān)視器的解鎖happens-before于每一個后續(xù)對同一個監(jiān)視器的加鎖。
(3)對volatile字段的寫入操作happens-before于每一個后續(xù)的同一個字段的讀操作。
(4)Thread.start()的調(diào)用會happens-before于啟動線程里面的動作。
(5)Thread中的所有動作都happens-before于其他線程檢查到此線程結(jié)束或者Thread.join()中返回或者Thread.isAlive()==false.
(6)一個線程A調(diào)用另一個另一個線程B的interrupt()都happens-before于線程A發(fā)現(xiàn)B被A中斷(B拋出異常或者A檢測到B的isInterrupted()或者interrupted())。
(7)一個對象構(gòu)造函數(shù)的結(jié)束happens-before與該對象的finalizer的開始
(8)如果A動作happens-before于B動作，而B動作happens-before與C動作，那么A動作happens-before于C動作。
以上就是本文的全部內(nèi)容，關(guān)于volatile變量就為大家介紹到這里，希望對大家學(xué)習(xí)了解java中的volatile變量有所幫助。
