volatile 變量提供了線程的可見性，并不能保證線程安全性和原子性。

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什么是線程的可見性：

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鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion）?和可見性（visibility）。互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)。可見性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見的 —— 如果沒有同步機(jī)制提供的這種可見性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值，這將引發(fā)許多嚴(yán)重問題。

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具體看volatile的語義：

volatile相當(dāng)于synchronized的弱實(shí)現(xiàn)，也就是說volatile實(shí)現(xiàn)了類似synchronized的語義，卻又沒有鎖機(jī)制。它確保對(duì)volatile字段的更新以可預(yù)見的方式告知其他的線程。

volatile包含以下語義：

（1）Java?存儲(chǔ)模型不會(huì)對(duì)valatile指令的操作進(jìn)行重排序：這個(gè)保證對(duì)volatile變量的操作時(shí)按照指令的出現(xiàn)順序執(zhí)行的。

（2）volatile變量不會(huì)被緩存在寄存器中（只有擁有線程可見）或者其他對(duì)CPU不可見的地方，每次總是從主存中讀取volatile變量的結(jié)果。也就是說對(duì)于volatile變量的修改，其它線程總是可見的，并且不是使用自己線程棧內(nèi)部的變量。也就是在happens-before法則中，對(duì)一個(gè)valatile變量的寫操作后，其后的任何讀操作理解可見此寫操作的結(jié)果。

盡管volatile變量的特性不錯(cuò)，但是volatile并不能保證線程安全的，也就是說volatile字段的操作不是原子性的，volatile變量只能保證可見性（一個(gè)線程修改后其它線程能夠理解看到此變化后的結(jié)果），要想保證原子性，目前為止只能加鎖！

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使用Volatile的原則：

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應(yīng)用volatile變量的三個(gè)原則：

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（1）寫入變量不依賴此變量的值，或者只有一個(gè)線程修改此變量

（2）變量的狀態(tài)不需要與其它變量共同參與不變約束

（3）訪問變量不需要加鎖

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實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

第一個(gè)條件的限制使 volatile 變量不能用作線程安全計(jì)數(shù)器。雖然增量操作（x++）看上去類似一個(gè)單獨(dú)操作，實(shí)際上它是一個(gè)由讀取－修改－寫入操作序列組成的組合操作，必須以原子方式執(zhí)行，而 volatile 不能提供必須的原子特性。實(shí)現(xiàn)正確的操作需要使?x?的值在操作期間保持不變，而 volatile 變量無法實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。（然而，如果將值調(diào)整為只從單個(gè)線程寫入，那么可以忽略第一個(gè)條件。）

大多數(shù)編程情形都會(huì)與這三個(gè)條件的其中之一沖突，使得 volatile 變量不能像?synchronized?那樣普遍適用于實(shí)現(xiàn)線程安全。清單 1 顯示了一個(gè)非線程安全的數(shù)值范圍類。它包含了一個(gè)不變式 —— 下界總是小于或等于上界。

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正確使用volatile：

(內(nèi)容來源于

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http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html)

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模式 #1：狀態(tài)標(biāo)志

也許實(shí)現(xiàn) volatile 變量的規(guī)范使用僅僅是使用一個(gè)布爾狀態(tài)標(biāo)志，用于指示發(fā)生了一個(gè)重要的一次性事件，例如完成初始化或請(qǐng)求停機(jī)。

很多應(yīng)用程序包含了一種控制結(jié)構(gòu)，形式為 “在還沒有準(zhǔn)備好停止程序時(shí)再執(zhí)行一些工作”，如清單 2 所示：

清單 2. 將 volatile 變量作為狀態(tài)標(biāo)志使用

volatile boolean shutdownRequested;...public void shutdown() { shutdownRequested = true; }public void doWork() { while (!shutdownRequested) { // do stuff} }

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很可能會(huì)從循環(huán)外部調(diào)用?shutdown()?方法 —— 即在另一個(gè)線程中 —— 因此，需要執(zhí)行某種同步來確保正確實(shí)現(xiàn)?shutdownRequested變量的可見性。（可能會(huì)從 JMX 偵聽程序、GUI 事件線程中的操作偵聽程序、通過 RMI 、通過一個(gè) Web 服務(wù)等調(diào)用）。然而，使用synchronized?塊編寫循環(huán)要比使用清單 2 所示的 volatile 狀態(tài)標(biāo)志編寫麻煩很多。由于 volatile 簡(jiǎn)化了編碼，并且狀態(tài)標(biāo)志并不依賴于程序內(nèi)任何其他狀態(tài)，因此此處非常適合使用 volatile。

這種類型的狀態(tài)標(biāo)記的一個(gè)公共特性是：通常只有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換；shutdownRequested?標(biāo)志從?false?轉(zhuǎn)換為?true，然后程序停止。這種模式可以擴(kuò)展到來回轉(zhuǎn)換的狀態(tài)標(biāo)志，但是只有在轉(zhuǎn)換周期不被察覺的情況下才能擴(kuò)展（從?false?到?true，再轉(zhuǎn)換到?false）。此外，還需要某些原子狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，例如原子變量。

模式 #2：一次性安全發(fā)布（one-time safe publication）

缺乏同步會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)可見性，這使得確定何時(shí)寫入對(duì)象引用而不是原語值變得更加困難。在缺乏同步的情況下，可能會(huì)遇到某個(gè)對(duì)象引用的更新值（由另一個(gè)線程寫入）和該對(duì)象狀態(tài)的舊值同時(shí)存在。（這就是造成著名的雙重檢查鎖定（double-checked-locking）問題的根源，其中對(duì)象引用在沒有同步的情況下進(jìn)行讀操作，產(chǎn)生的問題是您可能會(huì)看到一個(gè)更新的引用，但是仍然會(huì)通過該引用看到不完全構(gòu)造的對(duì)象）。

實(shí)現(xiàn)安全發(fā)布對(duì)象的一種技術(shù)就是將對(duì)象引用定義為 volatile 類型。清單 3 展示了一個(gè)示例，其中后臺(tái)線程在啟動(dòng)階段從數(shù)據(jù)庫(kù)加載一些數(shù)據(jù)。其他代碼在能夠利用這些數(shù)據(jù)時(shí)，在使用之前將檢查這些數(shù)據(jù)是否曾經(jīng)發(fā)布過。

清單 3. 將 volatile 變量用于一次性安全發(fā)布

public class BackgroundFloobleLoader {public volatile Flooble theFlooble;public void initInBackground() {// do lots of stufftheFlooble = 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 readyif (floobleLoader.theFlooble != null) doSomething(floobleLoader.theFlooble);}} }

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如果?theFlooble?引用不是 volatile 類型，doWork()?中的代碼在解除對(duì)?theFlooble?的引用時(shí)，將會(huì)得到一個(gè)不完全構(gòu)造的?Flooble。

該模式的一個(gè)必要條件是：被發(fā)布的對(duì)象必須是線程安全的，或者是有效的不可變對(duì)象（有效不可變意味著對(duì)象的狀態(tài)在發(fā)布之后永遠(yuǎn)不會(huì)被修改）。volatile 類型的引用可以確保對(duì)象的發(fā)布形式的可見性，但是如果對(duì)象的狀態(tài)在發(fā)布后將發(fā)生更改，那么就需要額外的同步。

模式 #3：獨(dú)立觀察（independent observation）

安全使用 volatile 的另一種簡(jiǎn)單模式是：定期 “發(fā)布” 觀察結(jié)果供程序內(nèi)部使用。例如，假設(shè)有一種環(huán)境傳感器能夠感覺環(huán)境溫度。一個(gè)后臺(tái)線程可能會(huì)每隔幾秒讀取一次該傳感器，并更新包含當(dāng)前文檔的 volatile 變量。然后，其他線程可以讀取這個(gè)變量，從而隨時(shí)能夠看到最新的溫度值。

使用該模式的另一種應(yīng)用程序就是收集程序的統(tǒng)計(jì)信息。清單 4 展示了身份驗(yàn)證機(jī)制如何記憶最近一次登錄的用戶的名字。將反復(fù)使用?lastUser?引用來發(fā)布值，以供程序的其他部分使用。

清單 4. 將 volatile 變量用于多個(gè)獨(dú)立觀察結(jié)果的發(fā)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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該模式是前面模式的擴(kuò)展；將某個(gè)值發(fā)布以在程序內(nèi)的其他地方使用，但是與一次性事件的發(fā)布不同，這是一系列獨(dú)立事件。這個(gè)模式要求被發(fā)布的值是有效不可變的 —— 即值的狀態(tài)在發(fā)布后不會(huì)更改。使用該值的代碼需要清楚該值可能隨時(shí)發(fā)生變化。

模式 #4：“volatile bean” 模式

volatile bean 模式適用于將 JavaBeans 作為“榮譽(yù)結(jié)構(gòu)”使用的框架。在 volatile bean 模式中，JavaBean 被用作一組具有 getter 和/或 setter 方法 的獨(dú)立屬性的容器。volatile bean 模式的基本原理是：很多框架為易變數(shù)據(jù)的持有者（例如?HttpSession）提供了容器，但是放入這些容器中的對(duì)象必須是線程安全的。

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有數(shù)據(jù)成員都是 volatile 類型的，并且 getter 和 setter 方法必須非常普通 —— 除了獲取或設(shè)置相應(yīng)的屬性外，不能包含任何邏輯。此外，對(duì)于對(duì)象引用的數(shù)據(jù)成員，引用的對(duì)象必須是有效不可變的。（這將禁止具有數(shù)組值的屬性，因?yàn)楫?dāng)數(shù)組引用被聲明為?volatile?時(shí)，只有引用而不是數(shù)組本身具有 volatile 語義）。對(duì)于任何 volatile 變量，不變式或約束都不能包含 JavaBean 屬性。清單 5 中的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：

模式 #4：“volatile bean” 模式

@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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volatile 的高級(jí)模式

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前面幾節(jié)介紹的模式涵蓋了大部分的基本用例，在這些模式中使用 volatile 非常有用并且簡(jiǎn)單。這一節(jié)將介紹一種更加高級(jí)的模式，在該模式中，volatile 將提供性能或可伸縮性優(yōu)勢(shì)。

volatile 應(yīng)用的的高級(jí)模式非常脆弱。因此，必須對(duì)假設(shè)的條件仔細(xì)證明，并且這些模式被嚴(yán)格地封裝了起來，因?yàn)榧词狗浅Ｐ〉母囊矔?huì)損壞您的代碼！同樣，使用更高級(jí)的 volatile 用例的原因是它能夠提升性能，確保在開始應(yīng)用高級(jí)模式之前，真正確定需要實(shí)現(xiàn)這種性能獲益。需要對(duì)這些模式進(jìn)行權(quán)衡，放棄可讀性或可維護(hù)性來換取可能的性能收益 —— 如果您不需要提升性能（或者不能夠通過一個(gè)嚴(yán)格的測(cè)試程序證明您需要它），那么這很可能是一次糟糕的交易，因?yàn)槟芸赡軙?huì)得不償失，換來的東西要比放棄的東西價(jià)值更低。

模式 #5：開銷較低的讀－寫鎖策略

目前為止，您應(yīng)該了解了 volatile 的功能還不足以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器。因?yàn)?++x?實(shí)際上是三種操作（讀、添加、存儲(chǔ)）的簡(jiǎn)單組合，如果多個(gè)線程湊巧試圖同時(shí)對(duì) volatile 計(jì)數(shù)器執(zhí)行增量操作，那么它的更新值有可能會(huì)丟失。

然而，如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作，您可以結(jié)合使用內(nèi)部鎖和 volatile 變量來減少公共代碼路徑的開銷。清單 6 中顯示的線程安全的計(jì)數(shù)器使用?synchronized?確保增量操作是原子的，并使用?volatile?保證當(dāng)前結(jié)果的可見性。如果更新不頻繁的話，該方法可實(shí)現(xiàn)更好的性能，因?yàn)樽x路徑的開銷僅僅涉及 volatile 讀操作，這通常要優(yōu)于一個(gè)無競(jìng)爭(zhēng)的鎖獲取的開銷。

清單 6. 結(jié)合使用 volatile 和 synchronized 實(shí)現(xiàn) “開銷較低的讀－寫鎖”

@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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之所以將這種技術(shù)稱之為 “開銷較低的讀－寫鎖” 是因?yàn)槟褂昧瞬煌耐綑C(jī)制進(jìn)行讀寫操作。因?yàn)楸纠械膶懖僮鬟`反了使用 volatile 的第一個(gè)條件，因此不能使用 volatile 安全地實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器 —— 您必須使用鎖。然而，您可以在讀操作中使用 volatile 確保當(dāng)前值的可見性，因此可以使用鎖進(jìn)行所有變化的操作，使用 volatile 進(jìn)行只讀操作。其中，鎖一次只允許一個(gè)線程訪問值，volatile 允許多個(gè)線程執(zhí)行讀操作，因此當(dāng)使用 volatile 保證讀代碼路徑時(shí)，要比使用鎖執(zhí)行全部代碼路徑獲得更高的共享度 —— 就像讀－寫操作一樣。然而，要隨時(shí)牢記這種模式的弱點(diǎn)：如果超越了該模式的最基本應(yīng)用，結(jié)合這兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的同步機(jī)制將變得非常困難。

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關(guān)于指令重排序與Happens-before法則

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指令重排序

Java語言規(guī)范規(guī)定了JVM線程內(nèi)部維持順序化語義，也就是說只要程序的最終結(jié)果等同于它在嚴(yán)格的順序化環(huán)境下的結(jié)果，那么指令的執(zhí)行順序就可能與代碼的順序不一致。這個(gè)過程通過叫做指令的重排序。指令重排序存在的意義在于：JVM能夠根據(jù)處理器的特性（CPU的多級(jí)緩存系統(tǒng)、多核處理器等）適當(dāng)?shù)闹匦屡判驒C(jī)器指令，使機(jī)器指令更符合CPU的執(zhí)行特點(diǎn)，最大限度的發(fā)揮機(jī)器的性能。

程序執(zhí)行最簡(jiǎn)單的模型是按照指令出現(xiàn)的順序執(zhí)行，這樣就與執(zhí)行指令的CPU無關(guān)，最大限度的保證了指令的可移植性。這個(gè)模型的專業(yè)術(shù)語叫做順序化一致性模型。但是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系和處理器架構(gòu)都不保證這一點(diǎn)（因?yàn)槿藶榈闹付ú⒉荒芸偸潜ＷC符合CPU處理的特性）。

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Happens-before法則

Java存儲(chǔ)模型有一個(gè)happens-before原則，就是如果動(dòng)作B要看到動(dòng)作A的執(zhí)行結(jié)果（無論A/B是否在同一個(gè)線程里面執(zhí)行），那么A/B就需要滿足happens-before關(guān)系。

在介紹happens-before法則之前介紹一個(gè)概念：JMM動(dòng)作（Java Memeory Model Action），Java存儲(chǔ)模型動(dòng)作。一個(gè)動(dòng)作（Action）包括：變量的讀寫、監(jiān)視器加鎖和釋放鎖、線程的start()和join()。后面還會(huì)提到鎖的的。

happens-before完整規(guī)則：

（1）同一個(gè)線程中的每個(gè)Action都happens-before于出現(xiàn)在其后的任何一個(gè)Action。

（2）對(duì)一個(gè)監(jiān)視器的解鎖happens-before于每一個(gè)后續(xù)對(duì)同一個(gè)監(jiān)視器的加鎖。

（3）對(duì)volatile字段的寫入操作happens-before于每一個(gè)后續(xù)的同一個(gè)字段的讀操作。

（4）Thread.start()的調(diào)用會(huì)happens-before于啟動(dòng)線程里面的動(dòng)作。

（5）Thread中的所有動(dòng)作都happens-before于其他線程檢查到此線程結(jié)束或者Thread.join（）中返回或者Thread.isAlive()==false。

（6）一個(gè)線程A調(diào)用另一個(gè)另一個(gè)線程B的interrupt（）都happens-before于線程A發(fā)現(xiàn)B被A中斷（B拋出異常或者A檢測(cè)到B的isInterrupted（）或者interrupted()）。

（7）一個(gè)對(duì)象構(gòu)造函數(shù)的結(jié)束happens-before與該對(duì)象的finalizer的開始

（8）如果A動(dòng)作happens-before于B動(dòng)作，而B動(dòng)作happens-before與C動(dòng)作，那么A動(dòng)作happens-before于C動(dòng)作。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java多线程（一）之volatile深入分析的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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