volatile的适用场景及单例模式

2019-07-01 本文已影响0人 willcoder

volatile生效的关键是缓存一致性协议，在修改变量的时候通知其他已读取缓存的线程此变量已经修改，触发其他线程对变量缓存的重新读取，以此保证数据不会脏读。但是这里有个问题，修改也就是往内存写变量的时候才会触发检查。而多线程环境下变量安全的标志是（原子性，可见性，有序性），这里只实现了可见性。变量操作的过程包括读取到缓存中和操作后写入磁盘两个操作，写入磁盘可以保证其他线程立刻获取最新的内容，但是读取到缓存却不能保证。也就是说volatile只能保证具有原子性或者不依赖当前读取到缓存内容的变量的安全性。所以，volatile并不是并发中万能的变量安全保护伞，想要不出问题还是要根据实际情况使用不同的方法，例如加锁。要注意，加锁是要慎重又慎重，重则死锁，轻则频繁的解锁上锁也是让人无法接受的。

介绍

把代码块声明为 synchronized，有两个重要后果，通常是指该代码具有 原子性（atomicity）和 可见性（visibility）。

原子性意味着个时刻，只有一个线程能够执行一段代码，这段代码通过一个monitor object保护。从而防止多个线程在更新共享状态时相互冲突。所谓原子性操作是指不会被线程调度机子打断的操作，这种操作一旦开始，就一直到幸运星结束，中间不会有任何切换（切换线程）。
可见性则更为微妙，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的使用条件：

volatile变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子性。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。

使用条件

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，如果只从单个线程写入，那么可以忽略第一个条件。）

反例

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。

【反例：volatile变量不能用于约束条件中】下面是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。

public class NumberRange {  
    private volatile int lower;
    private volatile int 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;  
    }  
}

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；而仍然需要使用同步——使 setLower()和 setUpper() 操作原子化。

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。

volatile的适用场景

模式 #1：状态标志

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。

volatile boolean shutdownRequested;  
  
...  
  
public void shutdown() {   
    shutdownRequested = true;   
}  
  
public void doWork() {   
    while (!shutdownRequested) {   
        // do stuff  
    }  
}

线程1执行doWork()的过程中，可能有另外的线程2调用了shutdown，所以boolean变量必须是volatile。

而如果使用 synchronized 块编写循环要比使用 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）

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。如下面介绍的单例模式。

private volatile static Singleton instace;     
    
public static Singleton getInstance(){     
    //第一次null检查       
    if(instance == null){              
        synchronized(Singleton.class) {    //1       
            //第二次null检查         
            if(instance == null){          //2    
                instance = new Singleton();//3    
            }    
        }             
    }    
    return instance;   
}

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。

【例】如下代码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。（主要利用了volatile的可见性）

public class UserManager {  
    public volatile String lastUser; //发布的信息  
  
    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;  
    }  
}

模式 #4：“volatile bean” 模式

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——即不包含约束！

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;  
    }  
}

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 {  
    // Employs the cheap read-write lock trick  
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held  
    @GuardedBy("this") private volatile int value;  
  
    //读操作，没有synchronized，提高性能  
    public int getValue() {   
        return value;   
    }   
  
    //写操作，必须synchronized。因为x++不是原子操作  
    public synchronized int increment() {  
        return value++;  
    }  
}

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。

单例模式

定义：

确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

类图：

public class Singleton{  
    private static final Singleton instance;  
    private Singleton(){  
    }  
    public static Singleton getInstance(){      
        if(instance == null){          //1  
            instance = new Singleton();//2  
        }  
        return instance;               //3  
   }  
    ...  
}

优点：

内存中只有一个对象，减少内存开支；
单例可避免对资源的多重占用，例如写文件动作，可避免对同一资源文件的同时写操作。

缺点：

单例模式一般没有接口，扩展很困难； ——单例并不是用来继承的。
不利于测试，并行开发时，若单例未完成，则不能进行测试；
与单一职责原则冲突，把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

使用场景：

若出现多个对象就会出现“不良反应”，应该用单例，具体场景如下：

要求生成唯一序列号的环境；
在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据。例如页面计数器；
创建一个对象需要消耗的资源过多时；
需要定义大量的静态常量和静态方法的环境。

为什么不直接用全局变量来实现单例？

有缺点：全局变量必须在程序一开始就创建好。而单例模式可以延迟初始化。

类加载器对单例的影响：

不同的类加载器可能会加载同一个类。

如果程序有多个类加载器，可在单例中指定某个加载器，并指定同一个加载器。

多线程的影响：

上文代码示例在多线程环境下有bug：

线程 1 调用 getInstance() 方法并决定 instance 在 //1 处为null。
线程 1 进入 if 代码块，但在执行 //2 处的代码行时被线程 2 预占。
线程 2 调用 getInstance() 方法并在 //1 处决定 instance 为 null。
线程 2 进入 if 代码块并创建一个新的 Singleton 对象并在 //2 处将变量instance 分配给这个新对象。
线程 2 在 //3 处返回 Singleton 对象引用。
线程 2 被线程 1 预占。
线程 1 在它停止的地方启动，并执行 //2 代码行，这导致创建另一个 Singleton 对象。
线程 1 在 //3 处返回这个对象。

结果是 getInstance() 方法创建了两个 Singleton 对象。

解决方法一：不用延迟初始化

public class Singleton{  
    private static final Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton(){  
    }  
    public static Singleton getInstance(){           
        return instance;  
   }  
    ...  
}

解决方法二：同步getInstance

public class Singleton{  
    private static final Singleton instance;  
    private Singleton(){  
    }  
    //同步getInstance  
    public static synchronized Singleton getInstance(){      
        if(instance == null){          //1  
            instance = new Singleton();//2  
        }  
        return instance;               //3  
   }  
    ...  
}

但是synchronized方法会降低性能，尤其这里仅当第一次调用getInstance时才需要同步，只有执行//2代码行时才需要同步。

你可能想到只同步方法块，即只对//2进行同步：

public static Singleton getInstance(){      
       if(instance == null){            
           synchronized(Singleton.class) {    
               instance = new Singleton();  
           }  
       }   
       return instance;  
}

但这样做并不能解决问题：
当 instance 为 null 时，两个线程可以并发地进入if 语句内部。
然后，一个线程进入 synchronized 块来初始化 instance，而另一个线程则被阻断。

当第一个线程退出 synchronized 块时，等待着的线程进入并创建另一个Singleton 对象。

注意：当第二个线程进入 synchronized 块时，它并没有检查 instance 是否非 null。
还是会创建2个对象。

解决方法三：双重检查加锁

针对上述方法的缺点，我们在//2代码行时再检查一次null，就能保证只创建一个对象：

//注意volatile！！ 
private volatile static Singleton instace;   
  
public static Singleton getInstance(){   
    //第一次null检查     
    if(instance == null){            
        synchronized(Singleton.class) {    //1     
            //第二次null检查       
            if(instance == null){            //2  
                instance = new Singleton();//3  
            }  
        }           
    }  
    return instance;
}

假设有下列事件序列：

线程 1 进入 getInstance() 方法。
由于 instance 为 null，线程 1 在 //1 处进入synchronized 块。
线程 1 被线程 2 预占。
线程 2 进入 getInstance() 方法。
由于 instance 仍旧为 null，线程 2 试图获取 //1 处的锁。然而，由于线程 1 持有该锁，线程 2 在 //1 处阻塞。
线程 2 被线程 1 预占。
线程 1 执行，由于在 //2 处实例仍旧为 null，线程 1 还创建一个Singleton 对象并将其引用赋值给instance(由于java执行的无序性，可能赋值时只是占用内存空间（此时instance已经为非null，锁松开，由于无序性，还没有来得及初始化，线程2已经取得instance对象），还没有根据构造函数初始化)。
线程 1 退出 synchronized 块并从 getInstance() 方法返回实例。
线程 1 被线程 2 预占。
线程 2 获取 //1 处的锁并检查 instance 是否为 null。
由于 instance 是非 null 的，并没有创建第二个Singleton 对象，由线程 1 创建的对象被返回，此时返回对象可能是是一个构造完整却没有完全初始化的对象。
线程1继续执行完成对象的初始化，由于instance是volatile类型的，所以instance变量对所有线程共享可见，所以线程2可以得到一个完整初始化的对象。

对于上面解说的赋值，却没有初始化的原因，是由于java变量重新赋值时有3个步骤的（读取，修改，回写）

代码行 instance =new Singleton(); 执行了下列伪代码

1. mem = allocate();             //Allocate memory for Singleton object.
2. instance = mem;               //Note that instance is now non-null, but
                                 //has not been initialized.
3. ctorSingleton(instance);      //Invoke constructor for Singleton passing
                                 //instance.