Java并发编程之可见性volatile (十一)

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-04-12 13:26 251阅读 0赞

### 一.介绍 ###

synchronized是阻塞式同步，在线程竞争激烈的情况下会升级为重量级锁。而volatile就可以说是java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。但它同时不容易被正确理解，也至于在并发编程中很多程序员遇到线程安全的问题就会使用synchronized。Java内存模型告诉我们，各个线程会将共享变量从主内存中拷贝到工作内存，然后执行引擎会基于工作内存中的数据进行操作处理。线程在工作内存进行操作后何时会写到主内存中？这个时机对普通变量是没有规定的，而针对volatile修饰的变量给java虚拟机特殊的约定，线程对volatile变量的修改会立刻被其他线程所感知，即不会出现数据脏读的现象，从而保证数据的“可见性”。

### 二.内存模型的相关概念 ###

计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：

i = i + 1;

当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。本文我们以多核CPU为例。

比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗？

可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。

最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。

为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

1）通过在总线加LOCK\#锁的方式

2）通过缓存一致性协议

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK\#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK\#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK\#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

### 三.使用条件 ###

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，必须同时满足下面两个条件：

1.  对变量的写操作不依赖于当前值。
2.  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（a++）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，如果只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）

### 四. 使用场景 ###

一.状态标志  
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。

volatile boolean isWrite;  
     
    ...  
     //线程1
    public void doWrite() {    
       isWrite= true;   
       //执行写操作
    }  
     //线程2
    public void doRead() {    
       while (!isWrite) {    
           // 执行读操作
       }  
    }

线程1执行doWrite()的过程中，可能有另外的线程2调用了doRead，所以boolean变量必须是volatile。而如果使用 synchronized 块编写循环要比使用 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；isWrite标志从false 转换为true，然后程序停止读操作。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）.

二.一次性安全发布（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，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。如下面介绍的单例模式。

private volatile static Singleton instace;     
        
    public static Singleton getInstance(){      
        //第一次null检查 
        if(instance == null){               
            synchronized(Singleton.class) {     //1 
                //第二次null检查 
                if(instance == null){           //2 
                    instance = new Singleton();//3 
                }    
            }             
        }    
        return instance;   
    }

三.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。  
　例:如下代码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。（主要利用了volatile的可见性）

public class UserManager {   
        public volatile String lastUser; //发布的信息 
      
        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;  
        }  
    }

四.“volatile bean” 模式  
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——即不包含约束！

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;  
        }  
    }

五.开销较低的“读－写锁”策略  
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。

如下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。

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;  
      
        //读操作，没有synchronized，提高性能 
        public int getValue() {    
            return value;   
        }   
      
        //写操作，必须synchronized。因为x++不是原子操作 
        public synchronized int increment() {   
            return value++;  
        }  
    }

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。