Java并发16:volatile关键字的两种用法-一次性状态标志、双重检查单例模式

[超级链接：Java并发学习系列-绪论]

volatile关键字在之前的章节中多次提及：

《Java并发11:Java内存模型、指令重排、happens-before原则》：volatile就是用Lock前缀方式的内存屏障伪类型来实现的。

《Java并发14:并发三特性-可见性定义、可见性问题与可见性保证技术》：volatile关键字通过标记内存屏障来保证变量的可见性。

本章主要就volatile关键字的两种实际用法进行说明。

1.volatile概述

volatile，即易变的，在Java中标识一个变量是易变变量。

volatile可以看成轻量级的synchronized，相对于synchronized：编码简单、资源开销较少，同样的实现的功能也有限。

volatile能够保证变量的可见性，但是并不能保证变量的原子性和有序性。

使用volatile的前提，不受原子性和有序性影响：变量状态完全独立于任何程序的其他状态。

2.volatile的两种用法

本文只对volatile常见的两种用法进行学习：

一次性状态标志

一种单例模式：双重检查单例模式

2.1.一次性状态标志

应用场景：使用一个布尔变量来标记状态，用于指示发生了一件重要的一次性事件。例如：标志配置完成了初始化、标志某种服务关闭了服务等等。

编码场景：

一台咖啡机能够不停地服务：为客人制作咖啡。

这台咖啡机有一个关闭按钮，当按下关闭按钮是，咖啡机停止服务。

2.1.1.不使用volatile关键字

状态标志位：

/**
* 是否关闭
*/
private static boolean shutdown = false;

咖啡机：

/**
* <p>Title: 咖啡机</p>
*
* @author 韩超 2018/3/16 13:58
*/
static class CoffeeMaker {
/**
* 关闭关闭咖啡机
*/
public static void shutdown() {
shutdown = true;
System.out.println("关闭了咖啡机...");
}

/**
* 生成开发
*/
public static void makeCoffee(String name) {
System.out.println("咖啡机开始为客户制作咖啡...");
while (!shutdown) ;
System.out.println("咖啡机已经停止工作,不再对外提供服务!");
}
}

制作咖啡与关闭咖啡机：

//开始制作咖啡
new Thread(() -> {
CoffeeMaker.makeCoffee(Thread.currentThread().getName());
}).start();
Thread.sleep(100);
//关掉咖啡机
new Thread(() -> {
CoffeeMaker.shutdown();
}).start();

运行结果：

咖啡机开始为客户制作咖啡...
关闭了咖啡机...

结果分析：

虽然线程第二个线程将是否关闭这个状态为置为了true，但是第一个线程并没有觉察到这种状态变化，导致咖啡机无法停止工作。

这是由于不采取任务措施的情况下，共享变量的修改对其他线程未必是可见的。

2.1.2.使用volatile关键字

将上面的代码做一个很小的修改：将是否关闭这个状态用volatile关键字标记：

/**
* 是否关闭
*/
private volatile static boolean shutdown = false;

然后再次运行测试代码，运行结果如下：

咖啡机开始为客户制作咖啡...
关闭了咖啡机...
咖啡机已经停止工作,不再对外提供服务!

2.1.3.关于一次性状态标志用法的分析

使用一次性状态标志的关键点：

1.状态标志的状态转换是原子操作。例如上面的代码中，对布尔类型进行赋值操作，在Java中是原子性操作。

2.只有一次性的状态转换。上面的代码中，状态标志位只是从false转换为true，并没有继续进行从true到false的转换等。这种转换的一次性杜绝了有序性问题的产生。

可以看到，上述两个关键点，其实就是对原子性和有序性的保证。

也就是说，如果要是用volatile进行并发编程，就需要通过其他手段来保证代码的原子性和有序性。

2.2.双重检查

双重检查是一种单例模式的实现方式，关于单例模式这里不多做介绍。

2.2.1.不加volatile的双重检查模式

/**
* <p>双重检测单例模式--不加volatile关键字</p>
*
* @author hanchao 2018/3/17 19:14
**/
static class DoubleCheckSingleton {

private static DoubleCheckSingleton instance = null;

private DoubleCheckSingleton() {
}

public static synchronized DoubleCheckSingleton getInstance() {
if (instance == null) {//0.null判断
synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
if (instance == null) {
//耗时较长的初始化操作
instance = new DoubleCheckSingleton();//1.初始化   2.对象地址指向引用
}
}
}
return instance;//3.返回对象
}
}

这种模式存在问题：

instance = new DoubleCheckSingleton(); 这个操作不是原子性的。

这个操作可以划分为：

在Heap中开辟地址，进行对象初始化：new DoubleCheckSingleton()

将Heap中初始化完成的DoubleCheckSingleton对象地址，指向Thread Stack中的对象引用instance。

这两步操作经过指令重拍之后可能是2->1的顺序，因为在单线程中1->2和2->1的执行结果时一样的。

这种指令重拍在单线程下毫无问题，但是在多线程下可能存在问题：

线程A在getInstance()方法中的执行顺序是：0->2->1->3，且当前执行到了第2步，这是instance已经 ! = null 了。

线程B进入到getInstance()方法中，在第0处检查发现instance ! = null ，所以直接执行第4步：返回instance对象。

线程B继续进行后续操作，例如执行

instance.getName()

等操作。

而这时线程A还在执行第1步的初始化工作，这时，instance应用执行的实际地址还是null值。

instance.getName()

等操作，会报

NullPointerException

异常。

2.2.2.添加volatile的双重检查模式

java的内存模式在持续改进之中，在jdk5中提到：

Updates for J2SE 5.0 (aka 1.5, Tiger)

In particular, double-check idioms work in the expected way when references are declared volatile.

也就是说：在JDK1.5及以后的版本中，通过将对象引用声明成volatile的，是可以正常使用双重检查模式的。

添加volatile的双重检查模式的代码如下：

/**
* <p>双重检测单例模式--加volatile关键字</p>
*
* @author hanchao 2018/3/17 19:10
**/
static class DoubleCheckedVolatileSingleton {
//注意这里是volatile的
private volatile static DoubleCheckedVolatileSingleton instance = null;

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

参考文献

[1] Java并发编程：volatile关键字解析

[2] Java 中的双重检查（Double-Check）

[3] 双重检查锁失效是因为对象的初始化并非原子操作？