原文地址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

Java 語言中的 volatile 變量可以被看作是一種 “程度較輕的synchronized”铭乾；與synchronized塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，并且運(yùn)行時(shí)開銷也較少回梧，但是它所能實(shí)現(xiàn)的功能也僅是synchronized的一部分焕窝。本文介紹了幾種有效使用 volatile 變量的模式唧取，并強(qiáng)調(diào)了幾種不適合使用 volatile 變量的情形肄梨。

鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion）和可見性（visibility）莺匠。互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖懒构，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議餐济，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)胆剧⌒跄罚可見性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見的 —— 如果沒有同步機(jī)制提供的這種可見性保證秩霍，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值篙悯，這將引發(fā)許多嚴(yán)重問題。

Volatile 變量

Volatile 變量具有synchronized的可見性特性前域，但是不具備原子特性辕近。這就是說線程能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn) volatile 變量的最新值。Volatile 變量可用于提供線程安全匿垄，但是只能應(yīng)用于非常有限的一組用例：多個(gè)變量之間或者某個(gè)變量的當(dāng)前值與修改后值之間沒有約束移宅。因此，單獨(dú)使用 volatile 還不足以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器椿疗、互斥鎖或任何具有與多個(gè)變量相關(guān)的不變式（Invariants）的類（例如 “start <=end”）漏峰。

出于簡(jiǎn)易性或可伸縮性的考慮，您可能傾向于使用 volatile 變量而不是鎖届榄。當(dāng)使用 volatile 變量而非鎖時(shí)浅乔，某些習(xí)慣用法（idiom）更加易于編碼和閱讀。此外铝条，volatile 變量不會(huì)像鎖那樣造成線程阻塞靖苇，因此也很少造成可伸縮性問題。在某些情況下班缰，如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寫操作贤壁，volatile 變量還可以提供優(yōu)于鎖的性能優(yōu)勢(shì)。

正確使用 volatile 變量的條件

您只能在有限的一些情形下使用 volatile 變量替代鎖埠忘。要使 volatile 變量提供理想的線程安全脾拆，必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件：

對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。

該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中莹妒。

實(shí)際上名船，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)旨怠，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)渠驼。

第一個(gè)條件的限制使 volatile 變量不能用作線程安全計(jì)數(shù)器。雖然增量操作（x++）看上去類似一個(gè)單獨(dú)操作运吓，實(shí)際上它是一個(gè)由讀瓤拾睢－修改－寫入操作序列組成的組合操作疯趟，必須以原子方式執(zhí)行，而 volatile 不能提供必須的原子特性谋梭。實(shí)現(xiàn)正確的操作需要使x的值在操作期間保持不變信峻，而 volatile 變量無法實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。（然而瓮床，如果將值調(diào)整為只從單個(gè)線程寫入盹舞，那么可以忽略第一個(gè)條件。）

大多數(shù)編程情形都會(huì)與這兩個(gè)條件的其中之一沖突隘庄，使得 volatile 變量不能像synchronized那樣普遍適用于實(shí)現(xiàn)線程安全踢步。清單 1 顯示了一個(gè)非線程安全的數(shù)值范圍類。它包含了一個(gè)不變式 —— 下界總是小于或等于上界丑掺。

清單 1. 非線程安全的數(shù)值范圍類

@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;

? ? }

}

這種方式限制了范圍的狀態(tài)變量获印，因此將lower和 upper 字段定義為 volatile 類型不能夠充分實(shí)現(xiàn)類的線程安全；從而仍然需要使用同步街州。否則兼丰，如果湊巧兩個(gè)線程在同一時(shí)間使用不一致的值執(zhí)行setLower和setUpper的話，則會(huì)使范圍處于不一致的狀態(tài)唆缴。例如鳍征，如果初始狀態(tài)是(0, 5)，同一時(shí)間內(nèi)面徽，線程 A 調(diào)用setLower(4)并且線程 B 調(diào)用setUpper(3)艳丛，顯然這兩個(gè)操作交叉存入的值是不符合條件的，那么兩個(gè)線程都會(huì)通過用于保護(hù)不變式的檢查趟紊，使得最后的范圍值是(4, 3)—— 一個(gè)無效值氮双。至于針對(duì)范圍的其他操作，我們需要使setLower()和setUpper()操作原子化 —— 而將字段定義為 volatile 類型是無法實(shí)現(xiàn)這一目的的霎匈。

性能考慮

使用 volatile 變量的主要原因是其簡(jiǎn)易性：在某些情形下眶蕉，使用 volatile 變量要比使用相應(yīng)的鎖簡(jiǎn)單得多。使用 volatile 變量次要原因是其性能：某些情況下唧躲，volatile 變量同步機(jī)制的性能要優(yōu)于鎖。

很難做出準(zhǔn)確碱璃、全面的評(píng)價(jià)弄痹，例如 “X 總是比 Y 快”，尤其是對(duì) JVM 內(nèi)在的操作而言嵌器。（例如肛真，某些情況下 VM 也許能夠完全刪除鎖機(jī)制，這使得我們難以抽象地比較volatile和synchronized的開銷爽航。）就是說蚓让，在目前大多數(shù)的處理器架構(gòu)上乾忱，volatile 讀操作開銷非常低 —— 幾乎和非 volatile 讀操作一樣。而 volatile 寫操作的開銷要比非 volatile 寫操作多很多历极，因?yàn)橐ＷC可見性需要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存界定（Memory Fence）窄瘟，即便如此，volatile 的總開銷仍然要比鎖獲取低趟卸。

volatile 操作不會(huì)像鎖一樣造成阻塞蹄葱，因此，在能夠安全使用 volatile 的情況下锄列，volatile 可以提供一些優(yōu)于鎖的可伸縮特性图云。如果讀操作的次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作，與鎖相比邻邮，volatile 變量通常能夠減少同步的性能開銷竣况。

正確使用 volatile 的模式

很多并發(fā)性專家事實(shí)上往往引導(dǎo)用戶遠(yuǎn)離 volatile 變量，因?yàn)槭褂盟鼈円仁褂面i更加容易出錯(cuò)筒严。然而丹泉，如果謹(jǐn)慎地遵循一些良好定義的模式，就能夠在很多場(chǎng)合內(nèi)安全地使用 volatile 變量萝风。要始終牢記使用 volatile 的限制 —— 只有在狀態(tài)真正獨(dú)立于程序內(nèi)其他內(nèi)容時(shí)才能使用 volatile —— 這條規(guī)則能夠避免將這些模式擴(kuò)展到不安全的用例嘀掸。

模式 #1：狀態(tài)標(biāo)志

也許實(shí)現(xiàn) volatile 變量的規(guī)范使用僅僅是使用一個(gè)布爾狀態(tài)標(biāo)志，用于指示發(fā)生了一個(gè)重要的一次性事件规惰，例如完成初始化或請(qǐng)求停機(jī)睬塌。

很多應(yīng)用程序包含了一種控制結(jié)構(gòu)，形式為 “在還沒有準(zhǔn)備好停止程序時(shí)再執(zhí)行一些工作”歇万，如清單 2 所示：

清單 2. 將 volatile 變量作為狀態(tài)標(biāo)志使用

volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() {

? ? while (!shutdownRequested) {

? ? ? ? // do stuff

? ? }

}

很可能會(huì)從循環(huán)外部調(diào)用shutdown()方法 —— 即在另一個(gè)線程中 —— 因此揩晴，需要執(zhí)行某種同步來確保正確實(shí)現(xiàn)shutdownRequested變量的可見性。（可能會(huì)從 JMX 偵聽程序贪磺、GUI 事件線程中的操作偵聽程序硫兰、通過 RMI 、通過一個(gè) Web 服務(wù)等調(diào)用）寒锚。然而劫映，使用synchronized塊編寫循環(huán)要比使用清單 2 所示的 volatile 狀態(tài)標(biāo)志編寫麻煩很多。由于 volatile 簡(jiǎn)化了編碼刹前，并且狀態(tài)標(biāo)志并不依賴于程序內(nèi)任何其他狀態(tài)泳赋，因此此處非常適合使用 volatile。

這種類型的狀態(tài)標(biāo)記的一個(gè)公共特性是：通常只有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換喇喉；shutdownRequested標(biāo)志從false轉(zhuǎn)換為true祖今，然后程序停止。這種模式可以擴(kuò)展到來回轉(zhuǎn)換的狀態(tài)標(biāo)志，但是只有在轉(zhuǎn)換周期不被察覺的情況下才能擴(kuò)展（從false到true千诬，再轉(zhuǎn)換到false）耍目。此外，還需要某些原子狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制徐绑，例如原子變量邪驮。

模式 #2：一次性安全發(fā)布（one-time safe publication）

缺乏同步會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)可見性，這使得確定何時(shí)寫入對(duì)象引用而不是原語值變得更加困難泵三。在缺乏同步的情況下耕捞，可能會(huì)遇到某個(gè)對(duì)象引用的更新值（由另一個(gè)線程寫入）和該對(duì)象狀態(tài)的舊值同時(shí)存在。（這就是造成著名的雙重檢查鎖定（double-checked-locking）問題的根源烫幕，其中對(duì)象引用在沒有同步的情況下進(jìn)行讀操作俺抽，產(chǎn)生的問題是您可能會(huì)看到一個(gè)更新的引用，但是仍然會(huì)通過該引用看到不完全構(gòu)造的對(duì)象）较曼。

實(shí)現(xiàn)安全發(fā)布對(duì)象的一種技術(shù)就是將對(duì)象引用定義為 volatile 類型磷斧。清單 3 展示了一個(gè)示例，其中后臺(tái)線程在啟動(dòng)階段從數(shù)據(jù)庫(kù)加載一些數(shù)據(jù)捷犹。其他代碼在能夠利用這些數(shù)據(jù)時(shí)弛饭，在使用之前將檢查這些數(shù)據(jù)是否曾經(jīng)發(fā)布過。

清單 3. 將 volatile 變量用于一次性安全發(fā)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 類型萍歉，doWork()中的代碼在解除對(duì)theFlooble的引用時(shí)侣颂，將會(huì)得到一個(gè)不完全構(gòu)造的Flooble。

該模式的一個(gè)必要條件是：被發(fā)布的對(duì)象必須是線程安全的枪孩，或者是有效的不可變對(duì)象（有效不可變意味著對(duì)象的狀態(tài)在發(fā)布之后永遠(yuǎn)不會(huì)被修改）憔晒。volatile 類型的引用可以確保對(duì)象的發(fā)布形式的可見性，但是如果對(duì)象的狀態(tài)在發(fā)布后將發(fā)生更改蔑舞，那么就需要額外的同步拒担。

模式 #3：獨(dú)立觀察（independent observation）

安全使用 volatile 的另一種簡(jiǎn)單模式是：定期 “發(fā)布” 觀察結(jié)果供程序內(nèi)部使用。例如攻询，假設(shè)有一種環(huán)境傳感器能夠感覺環(huán)境溫度从撼。一個(gè)后臺(tái)線程可能會(huì)每隔幾秒讀取一次該傳感器，并更新包含當(dāng)前文檔的 volatile 變量钧栖。然后低零，其他線程可以讀取這個(gè)變量，從而隨時(shí)能夠看到最新的溫度值拯杠。

使用該模式的另一種應(yīng)用程序就是收集程序的統(tǒng)計(jì)信息毁兆。清單 4 展示了身份驗(yàn)證機(jī)制如何記憶最近一次登錄的用戶的名字。將反復(fù)使用lastUser引用來發(fā)布值阴挣，以供程序的其他部分使用。

清單 4. 將 volatile 變量用于多個(gè)獨(dú)立觀察結(jié)果的發(fā)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;

? ? }

}

該模式是前面模式的擴(kuò)展纺腊；將某個(gè)值發(fā)布以在程序內(nèi)的其他地方使用畔咧，但是與一次性事件的發(fā)布不同茎芭，這是一系列獨(dú)立事件。這個(gè)模式要求被發(fā)布的值是有效不可變的 —— 即值的狀態(tài)在發(fā)布后不會(huì)更改誓沸。使用該值的代碼需要清楚該值可能隨時(shí)發(fā)生變化梅桩。

模式 #4：“volatile bean” 模式

volatile bean 模式適用于將 JavaBeans 作為“榮譽(yù)結(jié)構(gòu)”使用的框架。在 volatile bean 模式中拜隧，JavaBean 被用作一組具有 getter 和/或 setter 方法 的獨(dú)立屬性的容器宿百。volatile bean 模式的基本原理是：很多框架為易變數(shù)據(jù)的持有者（例如HttpSession）提供了容器，但是放入這些容器中的對(duì)象必須是線程安全的洪添。

在 volatile bean 模式中垦页，JavaBean 的所有數(shù)據(jù)成員都是 volatile 類型的，并且 getter 和 setter 方法必須非常普通 —— 除了獲取或設(shè)置相應(yīng)的屬性外干奢，不能包含任何邏輯痊焊。此外，對(duì)于對(duì)象引用的數(shù)據(jù)成員忿峻，引用的對(duì)象必須是有效不可變的薄啥。（這將禁止具有數(shù)組值的屬性，因?yàn)楫?dāng)數(shù)組引用被聲明為volatile時(shí)逛尚，只有引用而不是數(shù)組本身具有 volatile 語義）垄惧。對(duì)于任何 volatile 變量，不變式或約束都不能包含 JavaBean 屬性绰寞。清單 5 中的示例展示了遵守 volatile bean 模式的 JavaBean：

清單 5. 遵守 volatile bean 模式的 Person 對(duì)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 的高級(jí)模式

前面幾節(jié)介紹的模式涵蓋了大部分的基本用例到逊，在這些模式中使用 volatile 非常有用并且簡(jiǎn)單。這一節(jié)將介紹一種更加高級(jí)的模式克握，在該模式中蕾管，volatile 將提供性能或可伸縮性優(yōu)勢(shì)。

volatile 應(yīng)用的的高級(jí)模式非常脆弱菩暗。因此掰曾，必須對(duì)假設(shè)的條件仔細(xì)證明，并且這些模式被嚴(yán)格地封裝了起來停团，因?yàn)榧词狗浅Ｐ〉母囊矔?huì)損壞您的代碼旷坦！同樣，使用更高級(jí)的 volatile 用例的原因是它能夠提升性能佑稠，確保在開始應(yīng)用高級(jí)模式之前秒梅，真正確定需要實(shí)現(xiàn)這種性能獲益。需要對(duì)這些模式進(jìn)行權(quán)衡舌胶，放棄可讀性或可維護(hù)性來換取可能的性能收益 —— 如果您不需要提升性能（或者不能夠通過一個(gè)嚴(yán)格的測(cè)試程序證明您需要它）捆蜀，那么這很可能是一次糟糕的交易，因?yàn)槟芸赡軙?huì)得不償失，換來的東西要比放棄的東西價(jià)值更低辆它。

模式 #5：開銷較低的讀－寫鎖策略

目前為止誊薄，您應(yīng)該了解了 volatile 的功能還不足以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器。因?yàn)?+x實(shí)際上是三種操作（讀锰茉、添加呢蔫、存儲(chǔ)）的簡(jiǎn)單組合，如果多個(gè)線程湊巧試圖同時(shí)對(duì) volatile 計(jì)數(shù)器執(zhí)行增量操作飒筑，那么它的更新值有可能會(huì)丟失片吊。

然而，如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寫操作协屡，您可以結(jié)合使用內(nèi)部鎖和 volatile 變量來減少公共代碼路徑的開銷俏脊。清單 6 中顯示的線程安全的計(jì)數(shù)器使用synchronized確保增量操作是原子的，并使用volatile保證當(dāng)前結(jié)果的可見性著瓶。如果更新不頻繁的話联予，該方法可實(shí)現(xiàn)更好的性能，因?yàn)樽x路徑的開銷僅僅涉及 volatile 讀操作材原，這通常要優(yōu)于一個(gè)無競(jìng)爭(zhēng)的鎖獲取的開銷沸久。

清單 6. 結(jié)合使用 volatile 和 synchronized 實(shí)現(xiàn) “開銷較低的讀－寫鎖”

@ThreadSafepublic class CheesyCounter {? ? // Employs the cheap read-write lock trick? ? // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held? ? @GuardedBy("this") privatevolatileint value;? ? public int getValue() { return value; }? ? publicsynchronizedint increment() {? ? ? ? return value++;? ? }}

之所以將這種技術(shù)稱之為 “開銷較低的讀－寫鎖” 是因?yàn)槟褂昧瞬煌耐綑C(jī)制進(jìn)行讀寫操作。因?yàn)楸纠械膶懖僮鬟`反了使用 volatile 的第一個(gè)條件余蟹，因此不能使用 volatile 安全地實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器 —— 您必須使用鎖卷胯。然而，您可以在讀操作中使用 volatile 確保當(dāng)前值的可見性威酒，因此可以使用鎖進(jìn)行所有變化的操作窑睁，使用 volatile 進(jìn)行只讀操作。其中葵孤，鎖一次只允許一個(gè)線程訪問值担钮，volatile 允許多個(gè)線程執(zhí)行讀操作，因此當(dāng)使用 volatile 保證讀代碼路徑時(shí)尤仍，要比使用鎖執(zhí)行全部代碼路徑獲得更高的共享度 —— 就像讀－寫操作一樣箫津。然而，要隨時(shí)牢記這種模式的弱點(diǎn)：如果超越了該模式的最基本應(yīng)用宰啦，結(jié)合這兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的同步機(jī)制將變得非常困難苏遥。

結(jié)束語

與鎖相比，Volatile 變量是一種非常簡(jiǎn)單但同時(shí)又非常脆弱的同步機(jī)制赡模，它在某些情況下將提供優(yōu)于鎖的性能和伸縮性田炭。如果嚴(yán)格遵循 volatile 的使用條件 —— 即變量真正獨(dú)立于其他變量和自己以前的值 —— 在某些情況下可以使用volatile代替synchronized來簡(jiǎn)化代碼。然而漓柑，使用volatile的代碼往往比使用鎖的代碼更加容易出錯(cuò)教硫。本文介紹的模式涵蓋了可以使用volatile代替synchronized的最常見的一些用例叨吮。遵循這些模式（注意使用時(shí)不要超過各自的限制）可以幫助您安全地實(shí)現(xiàn)大多數(shù)用例，使用 volatile 變量獲得更佳性能瞬矩。

參考資料

學(xué)習(xí)

您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點(diǎn)上的英文原文挤安。

Java Concurrency in Practice：使用 Java 代碼開發(fā)并發(fā)程序的 how-to 手冊(cè)，內(nèi)容包括構(gòu)建并編寫線程安全的類和程序丧鸯、避免性能影響、管理性能和測(cè)試并發(fā)應(yīng)用程序嫩絮。

流行的原子：介紹了 Java 5.0 中新增的原子變量類丛肢，該特性對(duì) volatile 變量進(jìn)行了擴(kuò)展，從而支持原子狀態(tài)轉(zhuǎn)換剿干。

非阻塞算法簡(jiǎn)介：介紹如何使用原子變量而不是鎖實(shí)現(xiàn)并發(fā)算法蜂怎。

Volatiles：從 Wikipedia 獲得關(guān)于 volatile 變量的更多信息。

Java 技術(shù)專區(qū)：提供了數(shù)百篇有關(guān) Java 編程各個(gè)方面的文章置尔。