Java Volatile 詳解

概要：

Java 語言中的 Volatile 變量可以被看作是一種 “程度較輕的 synchronized”；與 synchronized 塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，并且運(yùn)行時開銷也較少，但是它所能實現(xiàn)的功能也僅是 synchronized 的一部分。本文介紹了幾種有效使用 volatile 變量的模式，并強(qiáng)調(diào)了幾種不適合使用 volatile 變量的情形。

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)?？梢娦砸訌?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(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 變量

Volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備原子特性。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。

正確使用 volatile 變量的條件

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?。薷模瓕懭氩僮餍蛄薪M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。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。

清單 1. 非線程安全的數(shù)值范圍類

@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;
  }
}

這種方式限制了范圍的狀態(tài)變量，因此將 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；從而仍然需要使用同步。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。至于針對范圍的其他操作，我們需要使 setLower() 和setUpper() 操作原子化 —— 而將字段定義為 volatile 類型是無法實現(xiàn)這一目的的。

性能考慮

使用 volatile 變量的主要原因是其簡易性：在某些情形下，使用 volatile 變量要比使用相應(yīng)的鎖簡單得多。使用 volatile 變量次要原因是其性能：某些情況下，volatile 變量同步機(jī)制的性能要優(yōu)于鎖。

很難做出準(zhǔn)確、全面的評價，例如 “X 總是比 Y 快”，尤其是對 JVM 內(nèi)在的操作而言。（例如，某些情況下 VM 也許能夠完全刪除鎖機(jī)制，這使得我們難以抽象地比較 volatile 和 synchronized 的開銷。）就是說，在目前大多數(shù)的處理器架構(gòu)上，volatile 讀操作開銷非常低 —— 幾乎和非 volatile 讀操作一樣。而 volatile 寫操作的開銷要比非 volatile 寫操作多很多，因為要保證可見性需要實現(xiàn)內(nèi)存界定（Memory Fence），即便如此，volatile 的總開銷仍然要比鎖獲取低。

volatile 操作不會像鎖一樣造成阻塞，因此，在能夠安全使用 volatile 的情況下，volatile 可以提供一些優(yōu)于鎖的可伸縮特性。如果讀操作的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作，與鎖相比，volatile 變量通常能夠減少同步的性能開銷。

正確使用 volatile 的模式

很多并發(fā)性專家事實上往往引導(dǎo)用戶遠(yuǎn)離 volatile 變量，因為使用它們要比使用鎖更加容易出錯。然而，如果謹(jǐn)慎地遵循一些良好定義的模式，就能夠在很多場合內(nèi)安全地使用 volatile 變量。要始終牢記使用 volatile 的限制 —— 只有在狀態(tài)真正獨(dú)立于程序內(nèi)其他內(nèi)容時才能使用 volatile —— 這條規(guī)則能夠避免將這些模式擴(kuò)展到不安全的用例。

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)。

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(zhǔn)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

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(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）

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(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）。

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

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(yuǎn)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(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。清單 4 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。

清單 4. 將 volatile 變量用于多個獨(dú)立觀察結(jié)果的發(fā)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;
  }
}

該模式是前面模式的擴(kuò)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(dú)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(yù)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(dú)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：

清單 5. 遵守 volatile bean 模式的 Person 對象

@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(xì)證明，并且這些模式被嚴(yán)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(jìn)行權(quán)衡，放棄可讀性或可維護(hù)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(yán)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(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。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”

@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(jī)制進(jìn)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(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，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(diǎn)：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(jī)制將變得非常困難。

結(jié)束語

與鎖相比，Volatile 變量是一種非常簡單但同時又非常脆弱的同步機(jī)制，它在某些情況下將提供優(yōu)于鎖的性能和伸縮性。如果嚴(yán)格遵循 volatile 的使用條件 —— 即變量真正獨(dú)立于其他變量和自己以前的值 —— 在某些情況下可以使用 volatile 代替 synchronized 來簡化代碼。然而，使用 volatile 的代碼往往比使用鎖的代碼更加容易出錯。本文介紹的模式涵蓋了可以使用 volatile 代替 synchronized 的最常見的一些用例。遵循這些模式（注意使用時不要超過各自的限制）可以幫助您安全地實現(xiàn)大多數(shù)用例，使用 volatile 變量獲得更佳性能。

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