Volatile的正确使用

以前就看到过Volatile关键字， 只知道跟多线程同步有关， 但一直没去过问具体的含义。
今天想了起来， 查找了一下Volatile相关资料。
就理解而言，看这篇文章就足够了：
http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

以下我还是做一下自问自答，以示学习和理解的过程。

一、什么是Volatile？

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Java™ 语言包含两种内在的同步机制：同步块（或方法）和 volatile 变量。这两种机制的提出都是为了实现代码线程的安全性。其中 Volatile 变量的同步性较差（但有时它更简单并且开销更低），而且其使用也更容易出错。
Java 语言中的 volatile 变量可以被看作是一种 “程度较轻的 synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是 synchronized 的一部分。本文介绍了几种有效使用 volatile 变量的模式，并强调了几种不适合使用 volatile 变量的情形。

这里说volatile 是轻量的同步，又跟同步方法和同步块放在一起，说是同步机制。其实在看过之后的内容后，我倒觉得即使volatile是同步机制的一种，但也不合适将volatile 跟synchronized立刻扯到一起来介绍，因为很容易让人以为volatile跟synchronized用的一样的锁方法实现的，但实际上它又不全是。

再看这个就会有个认识：

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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。

volatile 实际上只保证了可见性跟synchronized相同，但又不会有互斥。Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。

看到这里， 你一定会疑问volatile什么时候用？怎样用?

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什么时候用到volatile？
如果读操作远远大于写操作，出于简易性或可伸缩性的考虑，您可能倾向于使用 volatile 变量而不是锁。当使用 volatile 变量而非锁时，某些习惯用法（idiom）更加易于编码和阅读。此外，volatile 变量不会像锁那样造成线程阻塞，因此也很少造成可伸缩性问题，volatile 变量还提供优于锁的性能优势。

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正确的使用volatile：
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：
    * 对变量的写操作不依赖于当前值。
    * 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。

下面可以看看使用volatile 的典型场景，可以帮助理解：

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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 块编写循环要比以上所示的 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。

看看volatile的性能：

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使用 volatile 变量的主要原因是其简易性：在某些情形下，使用 volatile 变量要比使用相应的锁简单得多。使用 volatile 变量次要原因是其性能：某些情况下，volatile 变量同步机制的性能要优于锁。

很难做出准确、全面的评价，例如 “X 总是比 Y 快”，尤其是对 JVM 内在的操作而言。（例如，某些情况下 VM 也许能够完全删除锁机制，这使得我们难以抽象地比较 volatile 和 synchronized 的开销。）就是说，在目前大多数的处理器架构上，volatile 读操作开销非常低 —— 几乎和非 volatile 读操作一样。而 volatile 写操作的开销要比非 volatile 写操作多很多，因为要保证可见性需要实现内存界定（Memory Fence），即便如此，volatile 的总开销仍然要比锁获取低。

volatile 操作不会像锁一样造成阻塞，因此，在能够安全使用 volatile 的情况下，volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。如果读操作的次数要远远超过写操作，与锁相比，volatile 变量通常能够减少同步的性能开销。

再看看一个相对开销较低的读-写锁策略

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@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++;
    }
}

之所以将这种技术称之为 “开销较低的读－写锁” 是因为您使用了不同的同步机制进行读写操作。因为本例中的写操作违反了使用 volatile 的第一个条件，因此不能使用 volatile 安全地实现计数器 —— 您必须使用锁。然而，您可以在读操作中使用 volatile 确保当前值的可见性，因此可以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，因此当使用 volatile 保证读代码路径时，要比使用锁执行全部代码路径获得更高的共享度 —— 就像读－写操作一样。然而，要随时牢记这种模式的弱点：如果超越了该模式的最基本应用，结合这两个竞争的同步机制将变得非常困难。

总结：
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。
最好结合这篇讨论一起看：
http://www.iteye.com/topic/109150?page=1