Java多线程之volatile深入分析

volatile 变量提供了线程的可见性，并不能保证线程安全性和原子性。

　　什么是线程的可见性：

　　锁提供了两种主要特性：互斥(mutual exclusion) 和可见性(visibility)。互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议，这样，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的 -- 如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享变量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。

　　具体看volatile的语义：

　　volatile相当于synchronized的弱实现，也就是说

　　volatile实现了类似synchronized的语义，却又没有锁机制。它确保对volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

　　volatile包含以下语义：

　　(1)Java 存储模型不会对valatile指令的操作进行重排序：这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。

　　(2)volatile变量不会被缓存在寄存器中(只有拥有线程可见)或者其他对CPU不可见的地方，每次总是从主存中读取volatile变量的结果。也就是说对于volatile变量的修改，其它线程总是可见的，并且不是使用自己线程栈内部的变量。也就是在happens-before法则中，对一个valatile变量的写操作后，其后的任何读操作理解可见此写操作的结果。

　　尽管volatile变量的特性不错，但是volatile并不能保证线程安全的，也就是说volatile字段的操作不是原子性的，volatile变量只能保证可见性(一个线程修改后其它线程能够理解看到此变化后的结果)，要想保证原子性，目前为止只能加锁!

　　使用Volatile的原则：

　　应用volatile变量的三个原则：

　　(1)写入变量不依赖此变量的值，或者只有一个线程修改此变量

　　(2)变量的状态不需要与其它变量共同参与不变约束

　　(3)访问变量不需要加锁

　　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三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。

　　正确使用volatile:

　　模式 #1:状态标志

　　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

　　}

　　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。(这就是造成着名的双重检查锁定(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