知识基础
需要先了解 Java内存模型 相关知识.
定义
Java语言规范第三版中对volatile的定义如下：
java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
一句话即, volatile 声明的变量可以保证多线程对这个变量的可见性.
它被称为轻量级的 synchronized, 它比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程的阻塞从而导致线程上下文的切换和调度。
volatile的内存语义
回顾下happens-before对volatile规则的定义 : volatile变量的写，先发生于后续对这个变量的读.
这句话的含义有两层.
- volatile 的写操作, 需要将线程本地内存值,立马刷新到 主内存的共享变量中.
- volatile 的读操作, 需要从主内存的共享变量中读取,更新本地内存变量的值.
由此引出 volatile 的内存语义.
- 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存.
- 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量,并更新本地内存的值.
volatile 的特性
- 可见性 : 对一个volatile的变量的读,总是能看到任意线程对这个变量最后的写入.
- 单个读或者写具有原子性 : 对于单个volatile变量的读或者写具有原子性,复合操作不具有.(如i++)
- 互斥性 : 同一时刻只允许一个线程对变量进行操作.(互斥锁的特点)
所以说, 对于单步操作的 volatile 具有锁的特点.
class VolatileFeaturesTest1 {
private volatile long vl = 0L; // 使用volatile声明64位的long型变量
public void set(long l) {
vl = l; // 单个volatile变量的写
}
public void getAndIncrement() {
vl++; // 复合（多个）volatile变量的读/写
}
public long get() {
return vl; // 单个volatile变量的读
}
}
class VolatileFeaturesTest2 {
long vl = 0L; // 64位的long型普通变量
public synchronized void set(long l) { // 对单个的普通变量的写用同一个锁同步
vl = l;
}
public void getAndIncrement() { // 普通方法调用
long temp = get(); // 调用已同步的读方法
temp += 1L; // 普通写操作
set(temp); // 调用已同步的写方法
}
public synchronized long get() { // 对单个的普通变量的读用同一个锁同步
return vl;
}
}
// 上诉两个类效果是等价的.
volatile 内存语义的实现
JMM为volatile定制的重排序规则:
从表中归纳.
当第一个操作是 volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能重排序.确保volatile读之后的操作不会被重排序到 volatile读之前.
当第二个操作是 volatile写时,不管第一个操作是什么,都不能重排序.确保volatile写之前的操作不会被重排序到volatile写之后.
当第一个操作是 volatile写,第二个操作是 volatile读时,不能重排序.
为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
volatile写内存屏障
StoreStore屏障 可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任
意处理器可见了。
StoreLoad屏障 将 volatile写操作刷新到内存.
由此达到, volatile写 立马刷新到主内存的效果.
volatile读内存屏障
LoadLoad屏障 保障后续是读操作时, volatile读装载到内存数据.
LoadStore屏障 保障后续是写操作时, volatile读装载到内存数据.
由此达到, volatile读 从主内存中读取共享变量,并更新本地内存的值.
volatile的使用条件
- 对变量的写操作不依赖于当前值 或 能够确保只有单一线程能够修改变量的值
如 i++操作,变量的写操作依赖当前值,所以不能保证线程安全.
- 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
如 i<value,即使i变量声明为volatile,也不能保证线程安全,value可能在运行判断的时候发生变化.
正确使用volatile
下面提出几种使用 volatile的场景.
- 状态标志
作为一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或任务结束.
状态标志并不依赖于程序内任何其他状态，且通常只有一种状态转换
volatile boolean shutdownRequested;
...
public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
public void doWork() {
while (!shutdownRequested) {
// todo...
}
}
- 一次性安全发布（one-time safe publication）
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）。
//基于volatile的解决方案
public class SafeDoubleCheckSingleton {
//通过volatile声明，实现线程安全的延迟初始化
private volatile static SafeDoubleCheckSingleton singleton;
private SafeDoubleCheckSingleton(){
}
public static SafeDoubleCheckSingleton getInstance(){
if (singleton == null){
synchronized (SafeDoubleCheckSingleton.class){
if (singleton == null){
//原理利用volatile在于 禁止 "初始化对象"(2) 和 "设置singleton指向内存空间"(3) 的重排序
singleton = new SafeDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
由于对象的创建,可以拆分成以下指令:
在多线程环境中,如果没有对变量 声明为volatile,将可能出现以下情况,其他线程可能得到的是null而不是完成初始化的对象.
- 独立观察（independent observation）
将 volatile变量用于多个独立观察结果的发布,是"状态标志"的拓展，该值随时会发生变化，同时会被反复使用，前者一般就是用一次 ;只是简单的赋值操作，不会做复合操作.
class CustomLinkedList{
public volatile Node lastNode;
.....
public void add() {
Node node = new Node();
.....
lastNode = node;//将新节点作为最后一个节点
}
}
- 开销较低的读－写锁策略
当读远多于写，结合使用内部锁和 volatile 变量来减少同步的开销
利用volatile保证读取操作的可见性；利用synchronized保证复合操作的原子性
public class Counter {
private volatile int value;
//利用volatile保证读取操作的可见性, 读取时无需加锁
public int getValue() { return value; }
// 使用 synchronized 加锁
public synchronized int increment() {
return value++;
}
}
