Java并发16:volatile关键字的两种用法-一次性状态标志、双重检查单例模式

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volatile关键字在之前的章节中多次提及:

  • 《Java并发11:Java内存模型、指令重排、happens-before原则》:volatile就是用Lock前缀方式的内存屏障伪类型来实现的。
  • 《Java并发14:并发三特性-可见性定义、可见性问题与可见性保证技术》:volatile关键字通过标记内存屏障来保证变量的可见性。

本章主要就volatile关键字的两种实际用法进行说明。

1.volatile概述

  • volatile,即易变的,在Java中标识一个变量是易变变量
  • volatile可以看成轻量级的synchronized,相对于synchronized:编码简单、资源开销较少,同样的实现的功能也有限。
  • volatile能够保证变量的可见性,但是并不能保证变量的原子性和有序性。
  • 使用volatile的前提,不受原子性和有序性影响:变量状态完全独立于任何程序的其他状态。

2.volatile的两种用法

本文只对volatile常见的两种用法进行学习:

  • 一次性状态标志
  • 一种单例模式:双重检查单例模式

2.1.一次性状态标志

应用场景:使用一个布尔变量来标记状态,用于指示发生了一件重要的一次性事件。例如:标志配置完成了初始化、标志某种服务关闭了服务等等。

编码场景:

  • 一台咖啡机能够不停地服务:为客人制作咖啡。
  • 这台咖啡机有一个关闭按钮,当按下关闭按钮是,咖啡机停止服务。

2.1.1.不使用volatile关键字

状态标志位:

/**
 * 是否关闭
 */
private static boolean shutdown = false;

咖啡机:

/**
 * 

Title: 咖啡机

* * @author 韩超 2018/3/16 13:58 */
static class CoffeeMaker { /** * 关闭关闭咖啡机 */ public static void shutdown() { shutdown = true; System.out.println("关闭了咖啡机..."); } /** * 生成开发 */ public static void makeCoffee(String name) { System.out.println("咖啡机开始为客户制作咖啡..."); while (!shutdown) ; System.out.println("咖啡机已经停止工作,不再对外提供服务!"); } }

制作咖啡与关闭咖啡机:

//开始制作咖啡
new Thread(() -> {
    CoffeeMaker.makeCoffee(Thread.currentThread().getName());
}).start();
Thread.sleep(100);
//关掉咖啡机
new Thread(() -> {
    CoffeeMaker.shutdown();
}).start();

运行结果:

咖啡机开始为客户制作咖啡...
关闭了咖啡机...

结果分析:

  • 虽然线程第二个线程将是否关闭这个状态为置为了true,但是第一个线程并没有觉察到这种状态变化,导致咖啡机无法停止工作。
  • 这是由于不采取任务措施的情况下,共享变量的修改对其他线程未必是可见的。

2.1.2.使用volatile关键字

将上面的代码做一个很小的修改:将是否关闭这个状态用volatile关键字标记:

/**
 * 是否关闭
 */
 private volatile static boolean shutdown = false;

然后再次运行测试代码,运行结果如下:

咖啡机开始为客户制作咖啡...
关闭了咖啡机...
咖啡机已经停止工作,不再对外提供服务!

2.1.3.关于一次性状态标志用法的分析

使用一次性状态标志的关键点:

  • 1.状态标志的状态转换是原子操作。例如上面的代码中,对布尔类型进行赋值操作,在Java中是原子性操作。
  • 2.只有一次性的状态转换。上面的代码中,状态标志位只是从false转换为true,并没有继续进行从true到false的转换等。这种转换的一次性杜绝了有序性问题的产生。

可以看到,上述两个关键点,其实就是对原子性和有序性的保证。

也就是说,如果要是用volatile进行并发编程,就需要通过其他手段来保证代码的原子性和有序性。

2.2.双重检查

双重检查是一种单例模式的实现方式,关于单例模式这里不多做介绍。

2.2.1.不加volatile的双重检查模式

/**
 * 

双重检测单例模式--不加volatile关键字

* * @author hanchao 2018/3/17 19:14 **/
static class DoubleCheckSingleton { private static DoubleCheckSingleton instance = null; private DoubleCheckSingleton() { } public static synchronized DoubleCheckSingleton getInstance() { if (instance == null) {//0.null判断 synchronized (DoubleCheckSingleton.class) { if (instance == null) { //耗时较长的初始化操作 instance = new DoubleCheckSingleton();//1.初始化 2.对象地址指向引用 } } } return instance;//3.返回对象 } }

这种模式存在问题:

  • instance = new DoubleCheckSingleton(); 这个操作不是原子性的。

这个操作可以划分为:

  1. 在Heap中开辟地址,进行对象初始化:new DoubleCheckSingleton()
  2. 将Heap中初始化完成的DoubleCheckSingleton对象地址,指向Thread Stack中的对象引用instance。

这两步操作经过指令重拍之后可能是2->1的顺序,因为在单线程中1->2和2->1的执行结果时一样的。

这种指令重拍在单线程下毫无问题,但是在多线程下可能存在问题:

  1. 线程A在getInstance()方法中的执行顺序是:0->2->1->3,且当前执行到了第2步,这是instance已经 ! = null 了。
  2. 线程B进入到getInstance()方法中,在第0处检查发现instance ! = null ,所以直接执行第4步:返回instance对象。
  3. 线程B继续进行后续操作,例如执行instance.getName()等操作。
  4. 而这时线程A还在执行第1步的初始化工作,这时,instance应用执行的实际地址还是null值。
  5. instance.getName()等操作,会报NullPointerException异常。

2.2.2.添加volatile的双重检查模式

java的内存模式在持续改进之中,在jdk5中提到:

Updates for J2SE 5.0 (aka 1.5, Tiger)
In particular, double-check idioms work in the expected way when references are declared volatile.

也就是说:在JDK1.5及以后的版本中,通过将对象引用声明成volatile的,是可以正常使用双重检查模式的。

添加volatile的双重检查模式的代码如下:

/**
 * 

双重检测单例模式--加volatile关键字

* * @author hanchao 2018/3/17 19:10 **/
static class DoubleCheckedVolatileSingleton { //注意这里是volatile的 private volatile static DoubleCheckedVolatileSingleton instance = null; public static DoubleCheckedVolatileSingleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (DoubleCheckedVolatileSingleton.class) { if (instance == null) { instance = new DoubleCheckedVolatileSingleton(); } } } return instance; } }

参考文献

[1] Java并发编程:volatile关键字解析
[2] Java 中的双重检查(Double-Check)
[3] 双重检查锁失效是因为对象的初始化并非原子操作?

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