正确使用 Volatile

Java 语言中的 volatile 变量能够被看做是一种 “程度较轻的 synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，而且运行时开销也较少，可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 只容许一个线程持有某个特定的锁，所以可以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可以使用该共享数据。可见性要更加复杂一些， 它必须确保释放锁以前对共享数据作出的更改对于随后得到该锁的另外一个线程是可见的 —— 若是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多是修改前的值或不一致的值，这将引起许多严重问题。

Volatile 变量

Volatile 变量具备 synchronized 的可见性特性，可是不具有原子特性。这就是说线程可以自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全，可是只能应用于很是有限的一组用例：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。所以，单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具备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 变量不会像锁那样形成线程阻塞，所以也不多形成可伸缩性问题。在某些状况下，若是读操做远远大于写操做，volatile 变量还能够提供优于锁的性能优点。

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，必须同时知足下面两个条件：

• 对变量的写操做不依赖于当前值。
• 该变量没有包含在具备其余变量的不变式中。

实际上，这些条件代表，能够被写入 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 变量不能用做线程安全计数器。虽然增量操做（x++）看上去相似一个单独操做，实际上它是一个由读取－修改－写入操做序列组成的组合操做，必须以原子方式执行，而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操做须要使 x 的值在操做期间保持不变，而 volatile 变量没法实现这点。（然而，若是将值调整为只从单个线程写入，那么能够忽略第一个条件。）

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 那样广泛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 —— 下界老是小于或等于上界。

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，所以将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不可以充分实现类的线程安全；从而仍然须要使用同步。不然，若是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，若是初始状态是 (0, 5)，同一时间内，线程 A 调用 setLower(4) 而且线程 B 调用 setUpper(3)，显然这两个操做交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会经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。至于针对范围的其余操做，咱们须要使 setLower() 和 setUpper() 操做原子化 —— 而将字段定义为 volatile 类型是没法实现这一目的的。

性能考虑

使用 volatile 变量的主要缘由是其简易性：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 变量次要缘由是其性能：某些状况下，volatile 变量同步机制的性能要优于锁。

很难作出准确、全面的评价，例如 “X 老是比 Y 快”，尤为是对 JVM 内在的操做而言。（例如，某些状况下 VM 也许可以彻底删除锁机制，这使得咱们难以抽象地比较 volatile 和 synchronized 的开销。）就是说，在目前大多数的处理器架构上，volatile 读操做开销很是低 —— 几乎和非 volatile 读操做同样。而 volatile 写操做的开销要比非 volatile 写操做多不少，由于要保证可见性须要实现内存界定（Memory Fence），即使如此，volatile 的总开销仍然要比锁获取低。

volatile 操做不会像锁同样形成阻塞，所以，在可以安全使用 volatile 的状况下，volatile 能够提供一些优于锁的可伸缩特性。若是读操做的次数要远远超过写操做，与锁相比，volatile 变量一般可以减小同步的性能开销。

正确使用 volatile 的模式

不少并发性专家事实上每每引导用户远离 volatile 变量，由于使用它们要比使用锁更加容易出错。然而，若是谨慎地遵循一些良好定义的模式，就可以在不少场合内安全地使用 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余内容时才能使用 volatile —— 这条规则可以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。

不少应用程序包含了一种控制结构，形式为 “在尚未准备好中止程序时再执行一些工做”，如清单 2 所示：

清单 2. 将 volatile 变量做为状态标志使用

volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

极可能会从循环外部调用 shutdown() 方法 —— 即在另外一个线程中 —— 所以，须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 事件线程中的操做侦听程序、经过 RMI 、经过一个 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 状态标志编写麻烦不少。因为 volatile 简化了编码，而且状态标志并不依赖于程序内任何其余状态，所以此处很是适合使用 volatile。

这种类型的状态标记的一个公共特性是：一般只有一种状态转换；shutdownRequested 标志从 false 转换为 true，而后程序中止。这种模式能够扩展到来回转换的状态标志，可是只有在转换周期不被察觉的状况下才能扩展（从 false 到 true，再转换到 false）。此外，还须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）

缺少同步会致使没法实现可见性，这使得肯定什么时候写入对象引用而不是原语值变得更加困难。在缺少同步的状况下，可能会遇到某个对象引用的更新值（由另外一个线 程写入）和该对象状态的旧值同时存在。（这就是形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 同步的状况下进行读操做，产生的问题是您可能会看到一个更新的引用，可是仍然会经过该引用看到不彻底构造的对象）。

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 展现了一个示例，其中后台线程在启动阶段从数据库加载一些数据。其余代码在可以利用这些数据时，在使用以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);
        }
    }
}

若是 theFlooble 引用不是 volatile 类型，doWork() 中的代码在解除对 theFlooble 的引用时，将会获得一个不彻底构造的 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以后永远不会被修改）。volatile 类型的引用能够确保对象的发布形式的可见性，可是若是对象的状态在发布后将发生更改，那么就须要额外的同步。

模式 #3：独立观察（independent observation）

安全使用 volatile 的另外一种简单模式是：按期 “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可以感受环境温度。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。而后，其余线程能够读取这个变量，从而随时可以看到最新的温度值。

使用该模式的另外一种应用程序就是收集程序的统计信息。清单 4 展现了身份验证机制如何记忆最近一次登陆的用户的名字。将反复使用 lastUser 引用来发布值，以供程序的其余部分使用。

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余地方使用，可是与一次性事件的发布不一样，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。使用该值的代码须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 做为“荣誉结构”使用的框架。在 volatile bean 模式中，JavaBean 被用做一组具备 getter 和/或 setter 方法 的独立属性的容器。volatile bean 模式的基本原理是：不少框架为易变数据的持有者（例如 HttpSession）提供了容器，可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 的全部数据成员都是 volatile 类型的，而且 getter 和 setter 方法必须很是普通 —— 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。（这将禁止具备数组值的属性，由于当数组 引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组自己具备 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 中的示例展现了遵照 volatile bean 模式的 JavaBean：

清单 5. 遵照 volatile bean 模式的 Person 对象

@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 很是有用而且简单。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点。

volatile 应用的的高级模式很是脆弱。所以，必须对假设的条件仔细证实，而且这些模式被严格地封装了起来，由于即便很是小的更改也会损坏您的代码！一样，使用更高级 的 volatile 用例的缘由是它可以提高性能，确保在开始应用高级模式以前，真正肯定须要实现这种性能获益。须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 —— 若是您不须要提高性能（或者不可以经过一个严格的测试程序证实您须要它），那么这极可能是一次糟糕的交易，由于您极可能会得不偿失，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。由于 ++x 其实是三种操做（读、添加、存储）的简单组合，若是多个线程凑巧试图同时对 volatile 计数器执行增量操做，那么它的更新值有可能会丢失。

然而，若是读操做远远超过写操做，您能够结合使用内部锁和 volatile 变量来减小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 确保增量操做是原子的，并使用 volatile 保证当前结果的可见性。若是更新不频繁的话，该方法可实现更好的性能，由于读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操做，这一般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”

@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++;
    }
}

之因此将这种技术称之为 “开销较低的读－写锁” 是由于您使用了不一样的同步机制进行读写操做。由于本例中的写操做违反了使用 volatile 的第一个条件，所以不能使用 volatile 安全地实现计数器 —— 您必须使用锁。然而，您能够在读操做中使用 volatile 确保当前值的可见性， 所以可使用锁进行全部变化的操做，使用 volatile 进行只读操做。其中，锁一次只容许一个线程访问值，volatile 容许多个线程执行读操做，所以当使用 volatile 保证读代码路径时，要比使用锁执行所有代码路径得到更高的共享度 —— 就像读－写操做同样。然而，要随时牢记这种模式的弱点：若是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很是困难。

结束语

与锁相比，Volatile 变量是一种很是简单但同时又很是脆弱的同步机制，它在某些状况下将提供优于锁的性能和伸缩性。若是严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其余变量和本身之前的值 —— 在某些状况下可使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。然而，使用 volatile 的代码每每比使用锁的代码更加容易出错。本文介绍的模式涵盖了可使用 volatile 代替 synchronized 的最多见的一些用例。遵循这些模式（注意使用时不要超过各自的限制）能够帮助您安全地实现大多数用例，使用 volatile 变量得到更佳性能。