本文深入探讨Java中原子变量的概念及其应用场景，解释为何需要使用原子变量，并通过示例说明如何正确使用volatile变量来实现线程安全。文章还讨论了volatile变量的限制以及最佳实践。
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
/**
* Java线程：新特征-原子量
*
* @author leizhimin 2009-11-6 9:53:11
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
Runnable t1 = new MyRunnable("张三", 2000);
Runnable t2 = new MyRunnable("李四", 3600);
Runnable t3 = new MyRunnable("王五", 2700);
Runnable t4 = new MyRunnable("老张", 600);
Runnable t5 = new MyRunnable("老牛", 1300);
Runnable t6 = new MyRunnable("胖子", 800);
//执行各个线程
pool.execute(t1);
pool.execute(t2);
pool.execute(t3);
pool.execute(t4);
pool.execute(t5);
pool.execute(t6);
//关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
private static AtomicLong aLong = new AtomicLong(10000); //原子量，每个线程都可以自由操作
private String name; //操作人
private int x; //操作数额
MyRunnable(String name, int x) {
this.name = name;
this.x = x;
}
public void run() {
System.out.println(name + "执行了" + x + "，当前余额：" + aLong.addAndGet(x));
}
}
王五执行了2700，当前余额：16300
老张执行了600，当前余额：16900
老牛执行了1300，当前余额：18200
胖子执行了800，当前余额：19000
张三执行了2000，当前余额：21000
Process finished with exit code 0
王五执行了2700，当前余额：18300
老张执行了600，当前余额：18900
老牛执行了1300，当前余额：20200
胖子执行了800，当前余额：21000
李四执行了3600，当前余额：15600
Process finished with exit code 0
李四执行了3600，当前余额：15600
老张执行了600，当前余额：18900
老牛执行了1300，当前余额：20200
胖子执行了800，当前余额：21000
王五执行了2700，当前余额：18300
Process finished with exit code 0
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
/**
* Java线程：新特征-原子量
*
* @author leizhimin 2009-11-6 9:53:11
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);
Lock lock = new ReentrantLock(false);
Runnable t1 = new MyRunnable("张三", 2000,lock);
Runnable t2 = new MyRunnable("李四", 3600,lock);
Runnable t3 = new MyRunnable("王五", 2700,lock);
Runnable t4 = new MyRunnable("老张", 600,lock);
Runnable t5 = new MyRunnable("老牛", 1300,lock);
Runnable t6 = new MyRunnable("胖子", 800,lock);
//执行各个线程
pool.execute(t1);
pool.execute(t2);
pool.execute(t3);
pool.execute(t4);
pool.execute(t5);
pool.execute(t6);
//关闭线程池
pool.shutdown();
}
}
class MyRunnable implements Runnable {
private static AtomicLong aLong = new AtomicLong(10000); //原子量，每个线程都可以自由操作
private String name; //操作人
private int x; //操作数额
private Lock lock;
MyRunnable(String name, int x,Lock lock) {
this.name = name;
this.x = x;
this.lock = lock;
}
public void run() {
lock.lock();
System.out.println(name + "执行了" + x + "，当前余额：" + aLong.addAndGet(x));
lock.unlock();
}
}
王五执行了2700，当前余额：14700
老张执行了600，当前余额：15300
老牛执行了1300，当前余额：16600
胖子执行了800，当前余额：17400
李四执行了3600，当前余额：21000
Process finished with exit code 0
这个问题出现的原因是尽量减少在代码中同步要害字。同步会损害性能，虽然这个损失因JVM不同而不同。另外，在现代的JVM中，同步的性能正在逐步提高。尽管如此，使用同步仍然是有性能代价的，并且程序员永远会尽力提高他们的代码的效率，因此这个问题就延续了下来。
在java中，32位或者更少位数的赋值是原子的。在一个32位的硬件平台上，除了double和long型的其它原始类型通常都是使用32位进行表示，而double和long通常使用64位表示。另外，对象引用使用本机指针实现，通常也是32位的。对这些32位的类型的操作是原子的。
这些原始类型通常使用32位或者64位表示，这又引入了另一个小小的神话：原始类型的大小是由语言保证的。这是不对的。java语言保证的是原始类型的表数范围而非JVM中的存储大小。因此，int型总是有相同的表数范围。在一个JVM上可能使用32位实现，而在另一个JVM上可能是64位的。在此再次强调：在所有平台上被保证的是表数范围，32位以及更小的值的操作是原子的。
那么，原子操作在什么情况下不是线程安全的？主要的一点是他们也许确实是线程安全的，但是这没有被保证！java线程答应线程在自己的内存区保存变量的副本。答应线程使用本地的私有拷贝进行工作而非每次都使用主存的值是为了提高性能。考虑下面的类：
class RealTimeClock
{
PRivate int clkID;
public int clockID()
{
return clkID;
}
public void setClockID(int id)
{
clkID = id;
}
//...
}
现在考虑RealTimeClock的一个实例以及两个线程同时调用setClockID和clockID，并发生以下的事件序列：
T1 调用setClockID(5)
T1将5放入自己的私有工作内存
T2调用setClockID(10)
T2将10放入自己的私有工作内存
T1调用clockID,它返回5
5是从T1的私有工作内存返回的
对clockI的调用应该返回10，因为这是被T2设置的，然而返回的是5，因为读写操作是对私有工作内存的而非主存。赋值操作当然是原子的，但是因为JVM答应这种行为，因此线程安全不是一定的，同时，JVM的这种行为也不是被保证的。
两个线程拥有自己的私有拷贝而不和主存一致。假如这种行为出现，那么私有本机变量和主存一致必须在以下两个条件下：
1、变量使用volatile声明
2、被访问的变量处于同步方法或者同步块中
假如变量被声明为volatile，在每次访问时都会和主存一致。这个一致性是由java语言保证的，并且是原子的，即使是64位的值。(注重很多JVM没有正确的实现volatile要害字。你可以在www.javasoft.com找到更多的信息。)另外，假如变量在同步方法或者同步块中被访问，当在方法或者块的入口处获得锁以及方法或者块退出时释放锁是变量被同步。
使用任何一种方法都可以保证ClockID返回10，也就是正确的值。变量访问的频度不同则你的选择的性能不同。假如你更新很多变量，那么使用volatile可能比使用同步更慢。记住，假如变量被声明为volatile，那么在每次访问时都会和主存一致。与此对照，使用同步时，变量只在获得锁和释放锁的时候和主存一致。但是同步使得代码有较少的并发性。
假如你更新很多变量并且不想有每次访问都和主存进行同步的损失或者你因为其它的原因想排除并发性时可以考虑使用同步。
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。
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。
@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。
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。
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。
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：
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。
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。
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;
}
}
|
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。
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。
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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