深入理解volatile

java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

Volatile

Volatile变量具有synchronized的可见性特性，但是不具备原子性。线程可以自动发现volatile变量的最新值，volatile可以用于线程安全，但是只能作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修改后值之间没有约束。

正确使用volatile变量的条件

如果说要想使用volatile变量来替代锁，保证线程安全，必须满足一下两个条件：

• 该变量的写操作不依赖当前值
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

大多数的编程情况都于这两个条件其中之一冲突，所以计数器、互斥锁或任何具有多个变量相关的不定式不能单独用volatile解决。

使用volatile和不用volatile的一个例子

jdk版本：jdk1.7.0_4

package com.fk.Thread;/** * Created by fengkai on 02/05/17. */public class VolatileTest {    private static boolean flag ;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for(;;) {                    if (flag == !flag) {                        System.out.println("end !");                        System.exit(1);                    }                }            }        }).start();        Thread.sleep(1);        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for(;;) {                    flag = !flag;                }            }        }).start();    }}

运行后程序会进入死循环，一直运行。

在当前的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

package com.fk.Thread;/** * Created by fengkai on 02/05/17. */public class VolatileTest {    private static volatile boolean flag ;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for(;;) {                    if (flag == !flag) {                        System.out.println("end !");                        System.exit(1);                    }                }            }        }).start();        Thread.sleep(1);        new Thread(new Runnable() {            @Override            public void run() {                for(;;) {                    flag = !flag;                }            }        }).start();    }}

程序输出end，然后马上退出。

把该变量声明为volatile（不稳定的），这就指示JVM，这个变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。一般说来，多任务环境下各任务间共享的标志都应该加volatile修饰。

正确使用volatile的模式

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。

volatile boolean shutdownRequested;...public void shutdown() { shutdownRequested = true; }public void doWork() {     while (!shutdownRequested) {         // do stuff    }}

这样使用volatiile简化了编码。这种类型标记通常只有一个状态转换，然后程序停止。

用于一次安全的发布

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。下面一个示例，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。

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 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。

独立观察模式

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。下面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。

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

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 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。下面的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：

@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;    }}

开销较低的读－写锁策略

目前为止，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。下面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。

@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。

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。

学习资料 ： Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量

来源 ： 深入理解volatile