正确使用 Volatile 变量

Brian Goetz ([e-mail]), 高级工程师, Sun Microsystems
http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

Java™ 语言包含两种内在的同步机制：同步块（或方法）和 volatile 变量。这两种机制的提出都是为了实现代码线程的安全性。其中 Volatile 变量的同步性较差（但有时它更简单并且开销更低），而且其使用也更容易出错。

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。

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

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。

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：
模式 #1：状态标志
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
    }
}

在多线程程序中，当某个线程在某一刻调用了shutdown()方法时，为了保证其它所有调用doWork()的运行中的线程在进入while循环判断条件时能及时地得到shutdownRequested的最新值，有必要把shutdownRequested设为volatile类型．

模式 #2：一次性安全发布（one-time safe publication）
主要是针对对象引用，即将某个对象的引用定义为volitail类型，以防止多线程程序中A线程更改了此引用的值后（比如指向另外一个新的内在空间），其它线程仍然使用原来的引用．

JAVA中Hashtable的实现中，其属性keySet和entrySet就被定义为volatile类型

volitail本质就是在多线程运行的程序中保证变量/引用的可见性（即任一时刻的更改都能及时地被其它所有的线程所看见）．更底层的一种理解，它强迫编译器在去内存中取值而不是在CPU的cache中取（参考下文）

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从更底层地角度去理解: (摘录自http://blog.163.com/bestfighter_210@126/blog/static/103618872008016104249660/)
很多人对Volatile都不太了解，其实Volatile是由于编译器优化所造成的一个Bug而引入的关键字。

int a = 10;
int b = a;
int c = a;

　　理论上来讲每次使用a的时候都应该从a的地址来读取变量值，但是这存在一个效率问题，就是每次使用a都要去内存中取变量值，然后再通过系统总线传到CPU 处理，这样开销会很大。所以那些编译器优化者故作聪明，把a读进CPU的cache里，像上面的代码，假如a在赋值期间没有被改变，就直接从CPU的 cache里取a的副本来进行赋值。但是bug也显而易见，当a在赋给b之后，可能a已经被另一个线程改变而重新写回了内存，但这个线程并不知道，依旧按照原来的计划从CPU的cache里读a的副本进来赋值给c，结果不幸发生了。
　　于是编译器的开发者为了补救这一bug，提供了一个Volatile让开发人员为他们的过失埋单，或者说提供给开发人员了一个选择效率的权利。当变量加上了Volatile时，编译器就老老实实的每次都从内存中读取这个变量值，否则就还按照优化的方案从cache里读。

例１

void main (void)
{
      volatile int i;
      int j;

      i = 1;    //1    不被优化 i=1
      i = 2;    //2    不被优化 i=1
      i = 3;    //3    不被优化 i=1

      j = 1;    //4    被优化
      j = 2;    //5    被优化
      j = 3;    //6    j = 3
}

例２

void func (void)
{
      unsigned char xdata xdata_junk;
      unsigned char xdata *p = &xdata_junk;
      unsigned char t1, t2;

      t1 = *p;
      t2 = *p;
}

编译的汇编为：

0000 7E00      R       MOV       R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00      R       MOV       R7,#LOW xdata_junk
;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82            MOV       DPL,R7
0006 8E83            MOV       DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 注意
0008 E0              MOVX      A,@DPTR
0009 F500      R       MOV       t1,A

000B F500      R       MOV       t2,A
;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
000D 22              RET    

将函数变为:

void func (void)
{
      volatile unsigned char xdata xdata_junk;
      volatile unsigned char xdata *p = &xdata_junk;
      unsigned char t1, t2;

      t1 = *p;
      t2 = *p;
}

编译的汇编为：

0000 7E00      R       MOV       R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00      R       MOV       R7,#LOW xdata_junk
;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82            MOV       DPL,R7
0006 8E83            MOV       DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
0008 E0              MOVX      A,@DPTR
0009 F500      R       MOV       t1,A          ;a处

000B E0              MOVX      A,@DPTR
000C F500      R       MOV       t2,A
;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

000E 22              RET

比较结果可以看出来，未用volatile关键字时，只从*p所指的地址读一次
如在a处*p的内容有变化，则t2得到的则不是真正*p的内容。

例3

volatile unsigned char bdata var;    // use volatile keyword here
sbit var_0 = var^0;
sbit var_1 = var^1;
unsigned char xdata values[10];

void main (void)    {
    unsigned char i;

    for (i = 0; i < sizeof (values); i++)    {
      var = values[i];
      if (var_0)    {
        var_1 = 1;      //a处
             
        values[i] = var;    // without the volatile keyword, the compiler
                          // assumes that 'var' is unmodified and does not
                          // reload the variable content.
      }
    }
}

在此例中，如在a处到下一句运行前，var如有变化则不会，如var=0xff; 则在
values[i] = var;得到的还是values[i] = 1;