Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量
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。
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;
}
}
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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。
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。
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。
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
}
}
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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);
}
}
}
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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。
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;
}
}
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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
@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;
}
}
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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。
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”
@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++;
}
}
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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。
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。