volatile原理以及使用场景

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-02-16 05:54 13阅读 0赞

###  volatile的特性 ###

volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。　当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。

volatile特性一：内存可见性，即线程A对volatile变量的修改，其他线程获取的volatile变量都是最新的。

volatile特性二：可以禁止指令重排序

volatile关键字保证了操作的可见性，但是不能保证对变量的操作是原子性。

### volatile的原理 ###

加入volatile关键字时，生成的汇编代码会多出一个lock前缀指令

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

### volatitle 写-读的内存语义 ###

*  volatile写的内存语义：当写一个volatitle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中。
 *  volatile读的内存语义：当读一个volatitle变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程需要从主内存中重新读取共享变量。

### 使用volatile关键字的场景 ###

1、状态标记量

volatile boolean flag= false;
     
    // 线程1
    context = loadContext();
    flag= true;
     
    // 线程2
    while(!flag) {
        sleep();
    }
    doSomethingWithConfig(context);

2、双重检查

所谓双重检查加锁机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法过后，先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块，这是第一重检查。进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

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

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。下面程序 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。

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;
        }
    }

4、“volatile bean” 模式

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。下面代码示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：

@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;
        }
    }

5 、开销较低的读－写锁策略

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。

@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++;
        }
    }

### 参考文献 ###

java并发编程的艺术-方腾飞