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。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。
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。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),因此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。即便如此,volatile 的总开销仍然要比锁获取低。
volatile 操作也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。
在 java jvm中有一个内存区域是jvm虚拟机栈,每一个线程运行时都有一个线程栈,线程栈保存了线程运行时候变量值信息和操作符。当线程访问某一个对象时候值的时候,首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值,然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中,建立一个变量副本,之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系,而是直接修改副本变量的值,在修改完之后的某一个时刻(线程退出之前),自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图
描述这写交互
read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign 执行代码,改变共享变量值
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容
其中use and assign 可以多次出现,但是这一些操作并不是原子性,也就是 在read load之后,如果主内存count变量发生修改之后,线程工作内存中的值由于已经加载,不会产生对应的变化,所以计算出来的结果会和预期不一样。对于volatile修饰的变量,jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的。
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”)。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。
第二个条件的限制volatile 变量不能用作多变量不变式。例如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。
非线程安全的数值范围类
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。
正确使用 volatile 的模式:
模式1:状态标志
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。
模式 2:一次性安全发布
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。
模式 3:独立观察
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。
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。
模式 5:开销较低的读-写锁策略
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。如下代码 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。
public class CheesyCounter {
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。
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。
最后来一段代码示例:
public class VolatileTest extends Thread {
private volatile boolean pleaseStop = false; //程序执行一段时间后终止
// private boolean pleaseStop = false; //程序一直执行不会终止
public void run() {
long i = 0;
while (!pleaseStop) {
//System.out.println(i++); //System.out.println中含有同步块,一执行该方法,变量将从主存中重新读取。
i++;
}
}
public void tellMeToStop() {
pleaseStop = true;
}
public static void main(String... args) throws Exception{
final VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
volatileTest.start();
Thread.sleep(2000);
Thread thread = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
volatileTest.tellMeToStop();
}
});
thread.start();
}
}
相关推荐
java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java volatile 关键字实战java ...
#### 五、使用volatile关键字的场景 1. **状态标志**:`volatile`关键字非常适合用于表示某个状态标志,如线程是否应该停止运行。由于`volatile`关键字保证了线程间的可见性,因此当一个线程改变了这个状态标志,...
volatile关键字在Java编程语言中扮演着重要的角色,特别是在多线程环境下的同步和可见性问题。它是Java内存模型(JMM)的一部分,用于确保共享变量的可见性和有序性,但不保证原子性。 1. **volatile的可见性**:当...
本文将详细探讨volatile关键字的工作原理、使用场景以及如何在实际开发中正确使用volatile。 volatile关键字是Java并发编程中一个重要的工具,它通过确保变量的可见性和禁止指令重排序来提高程序的并发性能。然而,...
如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。 在DSP开发中,经常需要等待某个事件的触发,所以经常会写出这样的程序...
以前我们说过在一些简单的例子中,比如为一个字段赋值或递增该字段,我们需要对线程进行同步,虽然lock可以满足我们的需要,但是一个竞争锁一定会导致阻塞,然后忍受线程上下文切换和调度的开销,在一些高并发和性能...
"Java中的Volatile关键字详解" Java中的Volatile关键字详解是Java中的一种关键字,用于保证线程之间的可见性、原子性和有序性。下面是对Java中的Volatile关键字详解的知识点总结: 一、基本概念 1. 可见性:可见...
深入理解volatile关键字 volatile关键字是Java语言的高级特性,它可以保证可见性和禁止指令重排序,但是要弄清楚...在使用volatile关键字时,需要遵守相关的规则,并且需要弄清楚Java内存模型,以免出现不必要的错误。
C++中volatile关键字及常见的误解总结 C++中的volatile关键字是一种类型修饰符,用来修饰变量,表示该变量可以被某些编译器未知的因素更改,比如操作系统、硬件或者其它线程等。 volatile关键字的主要作用是提供对...
java volatile 关键字 学习
本篇文章将深入探讨volatile关键字的作用,并结合GD32F303单片机的使用场景,来阐述它在实际开发中的应用。 首先,volatile关键字是C/C++语言中的一个修饰符,它的主要功能是告诉编译器,该变量的值可能会在编译器...
### AVR-GCC 中如何使用 `volatile` 关键字 #### 1. `volatile` 关键字的基本概念 在编程语言中,尤其是C/C++中,`volatile` 是一个类型限定符,用来修饰变量,告知编译器该变量的值可能会在编译器未监控的情况下...
Java中volatile关键字实现原理 volatile关键字是Java语言中的一种机制,用于保证变量在多线程之间的可见性。它是Java.util.concurrent包的...了解volatile关键字的实现原理,可以更好、更正确地使用volatile关键字。
volatile 关键字在 C 语言中的使用方法 在 C 语言中,volatile 关键字是用来指定变量的存储类别的,它告诉编译器这个变量的值可能会在编译器不知道的情况下被修改,因此需要重新加载这个变量的值。volatile 关键字...
Java并发编程中,volatile关键字扮演着重要的角色,它是一种轻量级的同步机制,与synchronized相比,volatile在性能上更优,因为它不会导致线程阻塞。在深入理解volatile的关键特性之前,我们需要先了解Java内存模型...
Java 线程 volatile 关键字详解 Java™ 语言包含两种内在的同步机制:同步块(或方法)和 volatile 变量。volatile 变量的同步性较差,但它有时更简单并且开销更低。volatile 变量可以被看作是一种 “程度较轻的 ...
Java中的`volatile`关键字是多线程编程中的一个重要概念,它的主要作用是确保共享变量的可见性和禁止指令重排序。本文将深入探讨`volatile`的关键特性、工作原理以及使用注意事项。 1. 可见性: `volatile`关键字...
在Java编程中,volatile关键字是一个至关重要的概念,尤其在多线程环境下,理解并正确使用volatile是面试时必不可少的知识点。volatile被视为synchronized的一种轻量级实现,但两者在特性上存在显著差异。 首先,...
Java多线程volatile关键字详解 Java多线程volatile关键字...在多线程环境下,使用volatile关键字可以避免线程之间的数据不一致问题,但是需要注意volatile关键字的局限性,避免在不适合的场景下使用volatile关键字。