volatile变量

我们知道，在Java中设置变量值的操作，除了long和double类型的变量外都是原子操作，也就是说，对于变量值的简单读写操作没有必要进行同步。

这在JVM 1.2之前，Java的内存模型实现总是从主存读取变量，是不需要进行特别的注意的。而随着JVM的成熟和优化，现在在多线程环境下volatile关键字的使用变得非常重要。

在当前的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

要解决这个问题，只需要像在本程序中的这样，把该变量声明为volatile（不稳定的）即可，这就指示JVM，这个变量是不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。一般说来，多任务环境下各任务间共享的标志都应该加volatile修饰。

Volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

Java语言规范中指出：为了获得最佳速度，允许线程保存共享成员变量的私有拷贝，而且只当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。

这样当多个线程同时与某个对象交互时，就必须要注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。

而volatile关键字就是提示VM：对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝，而应直接与共享成员变量交互。

使用建议：在两个或者更多的线程访问的成员变量上使用volatile。当要访问的变量已在synchronized代码块中，或者为常量时，不必使用。

由于使用volatile屏蔽掉了VM中必要的代码优化，所以在效率上比较低，因此一定在必要时才使用此关键字。

 

 

 

为什么 使用volatile比同步代价更低?
同步的代价, 主要由其覆盖范围决定, 如果可以降低同步的覆盖范围, 则可以大幅提升程序性能. 

而volatile的覆盖范围仅仅变量级别的. 因此它的同步代价很低.

volatile原理是什么?
volatile的语义, 其实是告诉处理器, 不要将我放入工作内存, 请直接在主存操作我.(工作内存详见java内存模型)

因此, 当多核或多线程在访问该变量时, 都将直接 操作 主存, 这从本质上, 做到了变量共享.

volatile的有什么优势?
1, 更大的程序吞吐量
2, 更少的代码实现多线程
3, 程序的伸缩性较好
4, 比较好理解, 无需太高的学习成本

volatile有什么劣势?
1, 容易出问题
2, 比较难设计

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volatile运算存在脏数据问题

volatile仅仅能保证变量可见性, 无法保证原子性.

volatile的race condition示例:

public class TestRaceCondition {
    private volatile int i = 0;
   
    public void increase() {
       i++;
    }

    public int getValue() {
       return i;
    }
}

当多线程执行increase方法时, 是否能保证它的值会是线性递增的呢?
答案是否定的.

原因:
这里的increase方法, 执行的操作是i++, 即 i = i + 1;
针对i = i + 1, 在多线程中的运算, 本身需要改变i的值.
如果, 在i已从内存中取到最新值, 但未与1进行运算, 此时其他线程已数次将运算结果赋值给i.
则当前线程结束时, 之前的数次运算结果都将被覆盖.

即, 执行100次increase, 可能结果是 < 100.
一般来说, 这种情况需要较高的压力与并发情况下, 才会出现.

如何避免这种情况?
解决以上问题的方法:
一种是 操作时, 加上同步.
这种方法, 无疑将大大降低程序性能, 且违背了volatile的初衷.

第二种方式是, 使用硬件原语(CAS), 实现非阻塞算法
从CPU原语上,  支持变量级别的低开销同步.

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CPU原语-比较并交换(CompareAndSet),实现非阻塞算法

什么是CAS?
cas是现代CPU提供给并发程序使用的原语操作. 不同的CPU有不同的使用规范.

在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。
PowerPC 处理器有一对名为“加载并保留”和“条件存储”的指令，它们实现相同的目地；
MIPS 与 PowerPC 处理器相似，除了第一个指令称为“加载链接”。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)

什么是非阻塞算法?
一个线程的失败或挂起不应该影响其他线程的失败或挂起.这类算法称之为非阻塞(nonblocking)算法

对比阻塞算法:
如果有一类并发操作, 其中一个线程优先得到对象监视器的锁, 当其他线程到达同步边界时, 就会被阻塞.
直到前一个线程释放掉锁后, 才可以继续竞争对象锁.(当然,这里的竞争也可是公平的, 按先来后到的次序)

CAS 原理:

我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

CAS使用示例(jdk 1.5 并发包 AtomicInteger类分析:)

    /**
     * Atomically sets to the given value and returns the old value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

这个方法是, AtomicInteger类的常用方法, 作用是, 将变量设置为指定值, 并返回设置前的值.
它利用了cpu原语compareAndSet来保障值的唯一性.

另, AtomicInteger类中, 其他的实用方法, 也是基于同样的实现方式.
比如 getAndIncrement, getAndDecrement, getAndAdd等等.

CAS语义上存在的 " ABA 问题"

什么是ABA问题?
假设, 第一次读取V地址的A值, 然后通过CAS来判断V地址的值是否仍旧为A, 如果是, 就将B的值写入V地址,覆盖A值.

但是, 语义上, 有一个漏洞, 当第一次读取V的A值, 此时, 内存V的值变为B值, 然后在未执行CAS前, 又变回了A值.
此时, CAS再执行时, 会判断其正确的, 并进行赋值.

这种判断值的方式来断定内存是否被修改过, 针对某些问题, 是不适用的.

为了解决这种问题, jdk 1.5并发包提供了AtomicStampedReference (有标记的原子引用)类, 通过控制变量值的版本来保证CAS正确性.

其实, 大部分通过值的变化来CAS, 已经够用了.

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jdk1.5原子包介绍(基于volatile)

包的特色:
1, 普通原子数值类型AtomicInteger, AtomicLong提供一些原子操作的加减运算.

2, 使用了解决脏数据问题的经典模式-"比对后设定", 即 查看主存中数据是否与预期提供的值一致,如果一致,才更新.

3, 使用AtomicReference可以实现对所有对象的原子引用及赋值.包括Double与Float,
但不包括对其的计算.浮点的计算,只能依靠同步关键字或Lock接口来实现了.

4, 对数组元素里的对象,符合以上特点的, 也可采用原子操作.包里提供了一些数组原子操作类
AtomicIntegerArray, AtomicLongArray等等.

5, 大幅度提升系统吞吐量及性能.

具体使用, 详解java doc.

 

 

volatile关键字有什么用？
　　恐怕比较一下volatile和synchronized的不同是最容易解释清楚的。volatile是变量修饰符，而synchronized则作用于一段代码 或方法；看如下三句get代码：
int i1;                          int geti1() {return i1;}
volatile int i2;              int geti2() {return i2;}
int i3; synchronized     int geti3() {return i3;}

　 　geti1()得到存储在当前线程中i1的数值。多个线程有多个i1变量拷贝，而且这些i1之间可以互不相同。换句话说，另一个线程可能已经改变了它线 程内的i1值，而这个值可以和当前线程中的i1值不相同。事实上，Java有个思想叫“主”内存区域，这里存放了变量目前的“准确值”。每个线程可以有它 自己的变量拷贝，而这个变量拷贝值可以和“主”内存区域里存放的不同。因此实际上存在一种可能：“主”内存区域里的i1值是1，线程1里的i1值是2，线 程2里的i1值是3——这在线程1和线程2都改变了它们各自的i1值，而且这个改变还没来得及传递给“主”内存区域或其他线程时就会发生。
　　而 geti2()得到的是“主”内存区域的i2数值。用volatile修饰后的变量不允许有不同于“主”内存区域的变量拷贝。换句话说，一个变量经 volatile修饰后在所有线程中必须是同步的；任何线程中改变了它的值，所有其他线程立即获取到了相同的值。理所当然的，volatile修饰的变量 存取时比一般变量消耗的资源要多一点，因为线程有它自己的变量拷贝更为高效。
　　既然volatile关键字已经实现了线程间数据同步，又要 synchronized干什么呢？呵呵，它们之间有两点不同。首先，synchronized获得并释放监视器——如果两个线程使用了同一个对象锁，监 视器能强制保证代码块同时只被一个线程所执行——这是众所周知的事实。但是，synchronized也同步内存：事实上，synchronized在 “主”内存区域同步整个线程的内存。因此，执行geti3()方法做了如下几步：
1. 线程请求获得监视this对象的对象锁（假设未被锁，否则线程等待直到锁释放）
2. 线程内存的数据被消除，从“主”内存区域中读入（Java虚拟机能优化此步。。。[后面的不知道怎么表达,汗]）
3. 代码块被执行
4. 对于变量的任何改变现在可以安全地写到“主”内存区域中（不过geti3()方法不会改变变量值）
5. 线程释放监视this对象的对象锁
　　因此volatile只是在线程内存和“主”内存间同步某个变量的值，而synchronized通过锁定和解锁某个监视器同步所有变量的值。显然synchronized要比volatile消耗更多资源。

 

 

 

与锁相比，Volatile 变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。
Volatile相比synchronized，并没有保证原子性操作，因此不能用在需要加锁的环境，但可以跟synchronized结合，实现开销较低的读写锁。
使用Volatile，需要严格遵循 volatile 的使用条件：
1）即变量真正独立于其他变量和自己以前的值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
因此volatile 事实上的应用场景常常应该是变量和边界检查，但又要注意以上两个规则。
某些情况下，需要保证原子性操作，还是得用到lock。
需要记住，使用 volatile 的代码往往比使用synchronized的代码更加容易出错，不能单为了更好的性能、却忽略了本来应该保证的安全性。

评论

1 楼 令狐伟 2015-01-04  

收了