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zz Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量

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原文来自 http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html




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。
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 变量
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。Volatile 变量可用于提供线程安全,但是只能应用于非常有限的一组用例:多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束。因此,单独使用 volatile 还不足以实现计数器、互斥锁或任何具有与多个变量相关的不变式(Invariants)的类(例如 “start <=end”)。
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。在某些情况下,如果读操作远远大于写操作,volatile 变量还可以提供优于锁的性能优势。
正确使用 volatile 变量的条件
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。
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两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。

清单 1. 非线程安全的数值范围类
               
@NotThreadSafe
public class NumberRange {
    private int lower, upper;

    public int getLower() { return lower; }
    public int getUpper() { return upper; }

    public void setLower(int value) {
        if (value > upper)
            throw new IllegalArgumentException(...);
        lower = value;
    }

    public void setUpper(int value) {
        if (value < lower)
            throw new IllegalArgumentException(...);
        upper = value;
    }
}

这种方式限制了范围的状态变量,因此将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不能够充分实现类的线程安全;从而仍然需要使用同步。否则,如果凑巧两个线程在同一时间使用不一致的值执行 setLower 和 setUpper 的话,则会使范围处于不一致的状态。例如,如果初始状态是 (0, 5),同一时间内,线程 A 调用 setLower(4) 并且线程 B 调用 setUpper(3),显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的,那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查,使得最后的范围值是 (4, 3) —— 一个无效值。至于针对范围的其他操作,我们需要使 setLower() 和 setUpper() 操作原子化 —— 而将字段定义为 volatile 类型是无法实现这一目的的。
性能考虑
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。
正确使用 volatile 的模式
很多并发性专家事实上往往引导用户远离 volatile 变量,因为使用它们要比使用锁更加容易出错。然而,如果谨慎地遵循一些良好定义的模式,就能够在很多场合内安全地使用 volatile 变量。要始终牢记使用 volatile 的限制 —— 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile —— 这条规则能够避免将这些模式扩展到不安全的用例。
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。(这就是造成著名的双重检查锁定(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。

清单 3. 将 volatile 变量用于一次性安全发布
               
public class BackgroundFloobleLoader {
    public volatile Flooble theFlooble;

    public void initInBackground() {
        // do lots of stuff
        theFlooble = 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 ready
            if (floobleLoader.theFlooble != null)
                doSomething(floobleLoader.theFlooble);
        }
    }
}

如果 theFlooble 引用不是 volatile 类型,doWork() 中的代码在解除对 theFlooble 的引用时,将会得到一个不完全构造的 Flooble。
该模式的一个必要条件是:被发布的对象必须是线程安全的,或者是有效的不可变对象(有效不可变意味着对象的状态在发布之后永远不会被修改)。volatile 类型的引用可以确保对象的发布形式的可见性,但是如果对象的状态在发布后将发生更改,那么就需要额外的同步。
模式 #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。清单 4 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。

清单 4. 将 volatile 变量用于多个独立观察结果的发布
               
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;
    }
}

该模式是前面模式的扩展;将某个值发布以在程序内的其他地方使用,但是与一次性事件的发布不同,这是一系列独立事件。这个模式要求被发布的值是有效不可变的 —— 即值的状态在发布后不会更改。使用该值的代码需要清楚该值可能随时发生变化。
模式 #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。清单 5 中的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean:

清单 5. 遵守 volatile bean 模式的 Person 对象
               
@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;
    }
}

volatile 的高级模式
前面几节介绍的模式涵盖了大部分的基本用例,在这些模式中使用 volatile 非常有用并且简单。这一节将介绍一种更加高级的模式,在该模式中,volatile 将提供性能或可伸缩性优势。
volatile 应用的的高级模式非常脆弱。因此,必须对假设的条件仔细证明,并且这些模式被严格地封装了起来,因为即使非常小的更改也会损坏您的代码!同样,使用更高级的 volatile 用例的原因是它能够提升性能,确保在开始应用高级模式之前,真正确定需要实现这种性能获益。需要对这些模式进行权衡,放弃可读性或可维护性来换取可能的性能收益 —— 如果您不需要提升性能(或者不能够通过一个严格的测试程序证明您需要它),那么这很可能是一次糟糕的交易,因为您很可能会得不偿失,换来的东西要比放弃的东西价值更低。
模式 #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。

清单 6. 结合使用 volatile 和 synchronized 实现 “开销较低的读-写锁”
               
@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。
结束语
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。如果严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 —— 在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。然而,使用 volatile 的代码往往比使用锁的代码更加容易出错。本文介绍的模式涵盖了可以使用 volatile 代替 synchronized 的最常见的一些用例。遵循这些模式(注意使用时不要超过各自的限制)可以帮助您安全地实现大多数用例,使用 volatile 变量获得更佳性能。
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评论
5 楼 酒杯中的大海 2011-03-02  
shuofenglxy 写道
加了那两句就好了

内部类必须运行在一个new实例内部!~  呵呵!
4 楼 shuofenglxy 2011-03-02  
加了那两句就好了
3 楼 shuofenglxy 2011-03-02  
酒杯中的大海 写道
public class VolatileTest {
public static Person p = new Person();

public static void main(String[] args){
              VolatileTest vt = new VolatileTest ();//定义一个实例对象
System.out.println("start");
RunPerson[] rp = new RunPerson[10];
for(int i=0;i<10;i++){
//new这个实例对象里的内部类对象放入每、、一个数组元素中,java中数组每个对象元素都//是需要new的
                        rp[i] = vt.new RunPerson();
new Thread(rp[i]).start();
}
System.out.println("end");
}

class RunPerson implements Runnable{
public void run(){
p.setAge();
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(p.getAge());
}
}
}

class Person {
public volatile int age = 1000;

public int getAge(){
return age;
}

public void setAge(){
age--;
}
}


为什么没啥输出?lz请指点!

2 楼 酒杯中的大海 2011-03-02  
public class VolatileTest {
public static Person p = new Person();

public static void main(String[] args){
System.out.println("start");
RunPerson[] rp = new RunPerson[10];
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(rp[i]).start();
}
System.out.println("end");
}

class RunPerson implements Runnable{
public void run(){
p.setAge();
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(p.getAge());
}
}
}

class Person {
public volatile int age = 1000;

public int getAge(){
return age;
}

public void setAge(){
age--;
}
}


为什么没啥输出?lz请指点!
1 楼 SINCE1978 2011-02-04  
Volatile 修饰的变量可以理解为仅在进程缓存
而不会被每个线程缓存——只适用于读操作
Volatile 不保证原子的写操作

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    内容概要:本文详细探讨了光子晶体中的束缚态在连续谱中(BIC)及其与轨道角动量(OAM)激发的关系。首先介绍了光子晶体的基本概念和BIC的独特性质,随后展示了如何通过Python代码模拟二维光子晶体中的BIC,并解释了BIC在光学器件中的潜在应用。接着讨论了OAM激发与BIC之间的联系,特别是BIC如何增强OAM激发效率。文中还提供了使用有限差分时域(FDTD)方法计算OAM的具体步骤,并介绍了计算本征态和三维Q值的方法。此外,作者分享了一些实验中的有趣发现,如特定条件下BIC表现出OAM特征,以及不同参数设置对Q值的影响。 适合人群:对光子晶体、BIC和OAM感兴趣的科研人员和技术爱好者,尤其是从事微纳光子学研究的专业人士。 使用场景及目标:适用于希望通过代码模拟深入了解光子晶体中BIC和OAM激发机制的研究人员。目标是掌握BIC和OAM的基础理论,学会使用Python和其他工具进行模拟,并理解这些现象在实际应用中的潜力。 其他说明:文章不仅提供了详细的代码示例,还分享了许多实验心得和技巧,帮助读者避免常见错误,提高模拟精度。同时,强调了物理离散化方式对数值计算结果的重要影响。

    C#联合Halcon 17.12构建工业视觉项目的配置与应用

    内容概要:本文详细介绍了如何使用C#和Halcon 17.12构建一个功能全面的工业视觉项目。主要内容涵盖项目配置、Halcon脚本的选择与修改、相机调试、模板匹配、生产履历管理、历史图像保存以及与三菱FX5U PLC的以太网通讯。文中不仅提供了具体的代码示例,还讨论了实际项目中常见的挑战及其解决方案,如环境配置、相机控制、模板匹配参数调整、PLC通讯细节、生产数据管理和图像存储策略等。 适合人群:从事工业视觉领域的开发者和技术人员,尤其是那些希望深入了解C#与Halcon结合使用的专业人士。 使用场景及目标:适用于需要开发复杂视觉检测系统的工业应用场景,旨在提高检测精度、自动化程度和数据管理效率。具体目标包括但不限于:实现高效的视觉处理流程、确保相机与PLC的无缝协作、优化模板匹配算法、有效管理生产和检测数据。 其他说明:文中强调了框架整合的重要性,并提供了一些实用的技术提示,如避免不同版本之间的兼容性问题、处理实时图像流的最佳实践、确保线程安全的操作等。此外,还提到了一些常见错误及其规避方法,帮助开发者少走弯路。

    基于Matlab的9节点配电网中分布式电源接入对节点电压影响的研究

    内容概要:本文探讨了分布式电源(DG)接入对9节点配电网节点电压的影响。首先介绍了9节点配电网模型的搭建方法,包括定义节点和线路参数。然后,通过在特定节点接入分布式电源,利用Matlab进行潮流计算,模拟DG对接入点及其周围节点电压的影响。最后,通过绘制电压波形图,直观展示了不同DG容量和接入位置对配电网电压分布的具体影响。此外,还讨论了电压越限问题以及不同线路参数对电压波动的影响。 适合人群:电力系统研究人员、电气工程学生、从事智能电网和分布式能源研究的专业人士。 使用场景及目标:适用于研究分布式电源接入对配电网电压稳定性的影响,帮助优化分布式电源的规划和配置,确保电网安全稳定运行。 其他说明:文中提供的Matlab代码和图表有助于理解和验证理论分析,同时也为后续深入研究提供了有价值的参考资料。

    电力市场领域中基于CVaR风险评估的省间交易商最优购电模型研究与实现

    内容概要:本文探讨了在两级电力市场环境中,针对省间交易商的最优购电模型的研究。文中提出了一个双层非线性优化模型,用于处理省内电力市场和省间电力交易的出清问题。该模型采用CVaR(条件风险价值)方法来评估和管理由新能源和负荷不确定性带来的风险。通过KKT条件和对偶理论,将复杂的双层非线性问题转化为更易求解的线性单层问题。此外,还通过实际案例验证了模型的有效性,展示了不同风险偏好设置对购电策略的影响。 适合人群:从事电力系统规划、运营以及风险管理的专业人士,尤其是对电力市场机制感兴趣的学者和技术专家。 使用场景及目标:适用于希望深入了解电力市场运作机制及其风险控制手段的研究人员和技术开发者。主要目标是为省间交易商提供一种科学有效的购电策略,以降低风险并提高经济效益。 其他说明:文章不仅介绍了理论模型的构建过程,还包括具体的数学公式推导和Python代码示例,便于读者理解和实践。同时强调了模型在实际应用中存在的挑战,如数据精度等问题,并指出了未来改进的方向。

    西门子1200 PLC轴运动控制程序模板及其实战应用详解

    内容概要:本文详细介绍了一套成熟的西门子1200 PLC轴运动控制程序模板,涵盖多轴伺服控制、电缸控制、PLC通讯、气缸报警块、完整电路图、威纶通触摸屏程序和IO表等方面的内容。该模板已在多个项目中成功应用,如海康威视的路由器外壳装配机,确保了系统的稳定性和可靠性。文中不仅提供了具体的代码示例,还分享了许多实战经验和技巧,如参数设置、异常处理机制、通讯优化等。 适合人群:从事工业自动化领域的工程师和技术人员,尤其是那些需要进行PLC编程和轴运动控制的从业者。 使用场景及目标:适用于需要快速搭建稳定可靠的PLC控制系统的企业和个人开发者。通过学习和应用该模板,可以提高开发效率,减少调试时间和错误发生率,从而更好地满足项目需求。 其他说明:文章强调了程序模板的实用性,特别是在异常处理和参数配置方面的独特设计,能够有效应对复杂的工业环境挑战。此外,还提到了一些常见的陷阱和解决方案,帮助读者避开常见错误,顺利实施项目。

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