Java Volatile 关键字

Question

在 java 线程并发处理中，有一个关键字 volatile 的使用目前存在很大的混淆，以为使用这个关键字，在进行多线程并发处理的时候就可以万事大吉。

Java 语言是支持多线程的，为了解决线程并发的问题，在语言内部引入了 同步块 和 volatile 关键字机制。

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。

synchronized

同步块大家都比较熟悉，通过 synchronized 关键字来实现，所有加上 synchronized 和 块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用。

synchronized 修饰的方法或者代码块。

volatile

用 volatile 修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。volatile 很容易被误用，用来进行原子性操作。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。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”）。

下面看一个例子，我们实现一个计数器，每次线程启动的时候，会调用计数器 inc 方法，对计数器进行加一。

执行环境——jdk 版本：jdk1.6.0_31 ，内存 ：3G cpu：x86 2.4G

public class Counter{
	public static int count = 0;
	public static void inc(){
		//这里延迟 1 毫秒，使得结果明显
		try {
				Thread.sleep(1);
		}catch (InterruptedException e) {
		}
		count++;
	}

	public static void main(String[] args) {
			//同时启动 1000 个线程，去进行 i++计算，看看实际结果
		for (int i = 0;i < 1000; i++) {
			new Thread(new Runnable(){
				@Override
				public void run(){
					Counter.inc();
				}
			}).start();
		}

		//这里每次运行的值都有可能不同,可能为 1000
		System.out.println("运行结果:Counter.count=" +Counter.count);
	}
}

运行结果： Counter.count=995 ​

实际运算结果每次可能都不一样，本机的结果为：运行结果:Counter.count=995，可以看出，在多线程的环境下，Counter.count 并没有期望结果是 1000。

很多人以为，这个是多线程并发问题，只需要在变量 count 之前加上 volatile 就可以避免这个问题，那我们在修改代码看看，看看结果是不是符合我们的期望。

public class Counter{​
  public volatile static int count = 0;
  public static void inc(){
      //这里延迟 1 毫秒，使得结果明显
      try {
          Thread.sleep(1);
      }catch (InterruptedException e) {
      }
      count++;
  }

  public static void main(String[] args) {
      //同时启动 1000 个线程，去进行 i++计算，看看实际结果
      for (int i = 0;i < 1000;i++) {
          new Thread(new Runnable(){
              @Override
              public void run(){
                  Counter.inc();
              }
          }).start();
      }
      //这里每次运行的值都有可能不同,可能为 1000
      System.out.println("运行结果:Counter.count=" +Counter.count);
  }
}

运行结果： Counter.count=992 ​

运行结果还是没有我们期望的 1000，下面我们分析一下原因

在 java 垃圾回收整理一文中，描述了 jvm 运行时刻内存的分配。其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。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

在线程 1 堆 count 进行修改之后，会 write 到主内存中，主内存中的 count 变量就会变为 6

线程 2 由于已经进行 read,load 操作，在进行运算之后，也会更新主内存 count 的变量值为 6

导致两个线程及时用 volatile 关键字修改之后，还是会存在并发的情况。

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。

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。