volatile关键字

title:volatile关键字

date:2017年11月5日14:54:25

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之前，我们讲线程中断的时候，使用了volitate关键字完成了最简单的中断操作，那我们今天就来好好的探究下volitate关键字。争取做到知道什么时候用volitate关键字，他的作用是什么。

一.volatile的作用

在JDK1.2之前，Java的内存模型实现总是从主存（即共享内存）读取变量，是不需要进行特别的注意的。而随着JVM的成熟和优化，现在在多线程环境下volatil关键字的使用变得非常重要。

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。要解决这个问题，就需要把变量声明为volatile，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，各任务间共享的变量都应该加volatile修饰符。

Volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

Java语言规范中指出：为了获得最佳速度，允许线程保存共享成员变量的私有拷贝，而且只当线程进入或者离开同步代码块时才将私有拷贝与共享内存中的原始值进行比较。

这样当多个线程同时与某个对象交互时，就必须注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。而volatile关键字就是提示JVM：对于这个成员变量，不能保存它的私有拷贝，而应直接与共享成员变量交互。

volatile是一种稍弱的同步机制，在访问volatile变量时不会执行加锁操作，也就不会执行线程阻塞，因此volatilei变量是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。

二.Java内存模型

• 内存可见性

  volatile关键字和synchronized关键字都实现了内存可见性。

  在synchronized关键字修饰的diamante块中，我们实现了内存可见性。

  我们不仅希望防止某个线程正在使用对象状态而另一个线程在同时修改该状态，而且还希望确保当一个线程修改了对象状态后，其他线程能够看到该变化。而线程的同步恰恰也能够实现这一点。

  ​ 内置锁可以用于确保某个线程以一种可预测的方式来查看另一个线程的执行结果。为了确保所有的线程都能看到共享变量的最新值，可以在所有执行读操作或写操作的线程上加上同一把锁。

  当线程A执行某个同步代码块时，线程B随后进入由同一个锁保护的同步代码块，这种情况下可以保证，当锁被释放前，A看到的所有变量值（锁释放前，A看到的变量包括y和x）在B获得同一个锁后同样可以由B看到。换句话说，当线程B执行由锁保护的同步代码块时，可以看到线程A之前在同一个锁保护的同步代码块中的所有操作结果。如果在线程A unlock M之后，线程B才进入lock M，那么线程B都可以看到线程A unlock M之前的操作，可以得到i=1，j=1。如果在线程B unlock M之后，线程A才进入lock M，那么线程B就不一定能看到线程A中的操作，因此j的值就不一定是1。这里也就涉及了Java内存模型的happen-before规则。

  而volatile关键字便相当于：从内存可见性的角度看，写入volatile变量相当于退出同步代码块，而读取volatile变量相当于进入同步代码块。

• happen-before规则

  Java语言中有一个“先行发生”（happen—before）的规则，它是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果操作A先行发生于操作B，其意思就是说，在发生操作B之前，操作A产生的影响都能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等，它与时间上的先后发生基本没有太大关系。这个原则特别重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。

  ​ 1、程序次序规则：在一个单独的线程中，按照程序代码的执行流顺序，（时间上）先执行的操作happen—before（时间上）后执行的操作。

  ​ 2、管理锁定规则：一个unlock操作happen—before后面（时间上的先后顺序，下同）对同一个锁的lock操作。

  ​ 3、volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happen—before后面对该变量的读操作。

  ​ 4、线程启动规则：Thread对象的start（）方法happen—before此线程的每一个动作。

  ​ 5、线程终止规则：线程的所有操作都happen—before对此线程的终止检测，可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

  ​ 6、线程中断规则：对线程interrupt（）方法的调用happen—before发生于被中断线程的代码检测到中断时事件的发生。

  ​ 7、对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happen—before它的finalize（）方法的开始。

  ​ 8、传递性：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。

  对应这些规则，我们就很容易理解之前说的内存可见性了。

  • 一个操作happen—before另一个操作“并不代表”一个操作时间上先发生于另一个操作“。

  这句话在多线程的时候是非常好理解的。

  但是在单线程中似乎很难解释的通，单线程中难道不都是顺序执行的吗

  happen-before没有和时间有完全的一致性。这是因为编译器的指令重排序（Java语言规范规定了JVM线程内部维持顺序化语义，也就是说只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果，那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致。这个过程通过叫做指令的重排序。指令重排序存在的意义在于：JVM能够根据处理器的特性（CPU的多级缓存系统、多核处理器等）适当的重新排序机器指令，使机器指令更符合CPU的执行特点，最大限度的发挥机器的性能。在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整）等原因，操作A在时间上有可能后于操作B被处理器执行，但这并不影响happen—before原则的正确性。happen-before保证的是操作A的结果先于操作B的结果。

  但是，一个操作和另一个操作必定存在某个顺序，要么一个操作或者是先于或者是后于另一个操作，或者与两个操作同时发生。同时发生是完全可能存在的，特别是在多CPU的情况下。而两个操作之间却可能没有happen-before关系，也就是说有可能发生这样的情况，操作A不happen-before操作B，操作B也不happen-before操作A，用数学上的术语happen-before关系是个偏序关系。两个存在happen-before关系的操作不可能同时发生，一个操作A happen-before操作B，它们必定在时间上是完全错开的，这实际上也是同步的语义之一（独占访问）。

  • 分析DCL（双重检查加锁）

  之前在讲单例模式的时候，其中一种懒汉式的单例模式，使用了DCL,就有可能出现问题,这种问题的发生概率极小，但是一旦发生，会很尴尬。

  public class LazySingleton {      private int someField;      private static LazySingleton instance;      private LazySingleton() {          this.someField = new Random().nextInt(200)+1;         // (1)      }      public static LazySingleton getInstance() {          if (instance == null) {                               // (2)              synchronized(LazySingleton.class) {               // (3)                  if (instance == null) {                       // (4)                      instance = new LazySingleton();           // (5)                  }              }          }          return instance;                                      // (6)      }      public int getSomeField() {          return this.someField;                                // (7)      }  }  

  首先分析代码之前，必须要先讲解代码（5）

  instance = new LazySingleton();   

  必须要先告诉大家，这句话并不是一个原子操作。

  这句话被编译成8条汇编指令，大致做了3件事情：

  1.给LazySingleton的实例分配内存。

  2.初始化LazySingleton()的构造器

  3.将instance对象指向分配的内存空间（注意到这步instance就非null了）。

  ​ 但是，由于Java编译器允许处理器乱序执行，以及JDK1.5之前JMM（Java Memory Medel，即Java内存模型）中Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定，上面的第二点和第三点的顺序是无法保证的，也就是说，执行顺序可能是1-2-3也可能是1-3-2，如果是后者，并且在3执行完毕、2未执行之前，被切换到线程B上，这时候instance因为已经在线程A内执行过了第三点，instance已经是非空了，所以线程B直接拿走instance，然后使用，然后顺理成章地报错，而且这种难以跟踪难以重现的错误很可能会隐藏很久。

  ​ DCL的写法来实现单例是很多技术书、教科书（包括基于JDK1.4以前版本的书籍）上推荐的写法，实际上是不完全正确的。的确在一些语言（譬如C语言）上DCL是可行的，但这取决于是否能保证2、3步的顺序。在JDK1.5之后，官方已经注意到这种问题，调整了JMM、具体化了volatile关键字，因此如果JDK是1.5或之后的版本，只需要将instance的定义改成“private volatile static LazySingleton instance = null;”就可以保证每次都去instance都从主内存读取，就可以使用DCL的写法来完成单例模式。volatile屏蔽指令重排序的语义在JDK1.5中才被完全修复，此前的JDK中及时将变量声明为volatile，也仍然不能完全避免重排序所导致的问题（主要是volatile变量前后的代码仍然存在重排序问题），这点也是在JDK1.5之前的Java中无法安全使用DCL来实现单例模式的原因。

注：

1、volatile屏蔽指令重排序的语义在JDK1.5中才被完全修复，此前的JDK中及时将变量声明为volatile，也仍然不能完全避免重排序所导致的问题（主要是volatile变量前后的代码仍然存在重排序问题），这点也是在JDK1.5之前的Java中无法安全使用DCL来实现单例模式的原因。

2、把volatile写和volatile读这两个操作综合起来看，在读线程B读一个volatile变量后，写线程A在写这个volatile变量之前，所有可见的共享变量的值都将立即变得对读线程B可见。

3、 在java5之前对final字段的同步语义和其它变量没有什么区别，在java5中，final变量一旦在构造函数中设置完成（前提是在构造函数中没有泄露this引用)，其它线程必定会看到在构造函数中设置的值。而DCL的问题正好在于看到对象的成员变量的默认值，因此我们可以将LazySingleton的someField变量设置成final，这样在java5中就能够正确运行了。

何时使用volatile关键字

ava 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。

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

@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;    }}

这种方式限制了范围的状态变量，因此将 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，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，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。

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

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。

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

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。之前讲的DCL。

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。

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

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。

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

@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;    }}

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”

@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。

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。