Java單例模式及創建單例模式的多線程問題 volatile synchronized 關鍵字

接下來，說說我對多線程中volitile 和 synchronized的理解

這兩個關鍵字都是java內置的用於實現線程同步的機制，其中：

volitile用於修飾變量，用於同步主內存和線程存儲中的變量值，但是volitile使用應牢記 —— 只有在狀態真正獨立於程序內其他內容時才能使用 volatile；

synchronized用於同步代碼塊，synchronized修飾的代碼塊可保證互斥性和可見性。

雖然volitile容易誤用，但是volitile是一種輕量級的同步機制，合理的使用可以帶來效率的提高，或許這也是其存在的原因吧。

下面列舉幾個正確使用的例子和使用場景（例子來自“Java 理論與實踐: 正確使用 Volatile 變量“）

例子原文網址：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp06197.html

正確使用 volatile 的模式

很多併發性專家事實上往往引導用戶遠離 volatile 變量，因爲使用它們要比使用鎖更加容易出錯。然而，如果謹慎地遵循一些良好定義的模式，就能夠在很多場合內安全地使用 volatile 變量。要始終牢記使用 volatile 的限制 —— 只有在狀態真正獨立於程序內其他內容時才能使用 volatile —— 這條規則能夠避免將這些模式擴展到不安全的用例。

模式 #1：狀態標誌

也許實現 volatile 變量的規範使用僅僅是使用一個布爾狀態標誌，用於指示發生了一個重要的一次性事件，例如完成初始化或請求停機。

很多應用程序包含了一種控制結構，形式爲 “在還沒有準備好停止程序時再執行一些工作”，如清單 2 所示：

清單 2. 將 volatile 變量作爲狀態標誌使用

volatile boolean shutdownRequested;

...

public void shutdown() { shutdownRequested = true; }

public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

很可能會從循環外部調用 shutdown() 方法 —— 即在另一個線程中 —— 因此，需要執行某種同步來確保正確實現 shutdownRequested 變量的可見性。（可能會從 JMX 偵聽程序、GUI 事件線程中的操作偵聽程序、通過 RMI 、通過一個 Web 服務等調用）。然而，使用 synchronized塊編寫循環要比使用清單 2 所示的 volatile 狀態標誌編寫麻煩很多。由於 volatile 簡化了編碼，並且狀態標誌並不依賴於程序內任何其他狀態，因此此處非常適合使用 volatile。

這種類型的狀態標記的一個公共特性是：通常只有一種狀態轉換；shutdownRequested 標誌從 false 轉換爲 true，然後程序停止。這種模式可以擴展到來回轉換的狀態標誌，但是只有在轉換週期不被察覺的情況下才能擴展（從 false 到 true，再轉換到 false）。此外，還需要某些原子狀態轉換機制，例如原子變量。

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

缺乏同步會導致無法實現可見性，這使得確定何時寫入對象引用而不是原語值變得更加困難。在缺乏同步的情況下，可能會遇到某個對象引用的更新值（由另一個線程寫入）和該對象狀態的舊值同時存在。（這就是造成著名的雙重檢查鎖定（double-checked-locking）問題的根源，其中對象引用在沒有同步的情況下進行讀操作，產生的問題是您可能會看到一個更新的引用，但是仍然會通過該引用看到不完全構造的對象）。

實現安全發佈對象的一種技術就是將對象引用定義爲 volatile 類型。清單 3 展示了一個示例，其中後臺線程在啓動階段從數據庫加載一些數據。其他代碼在能夠利用這些數據時，在使用之前將檢查這些數據是否曾經發布過。

清單 3. 將 volatile 變量用於一次性安全發佈

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，doWork() 中的代碼在解除對 theFlooble 的引用時，將會得到一個不完全構造的 Flooble。

該模式的一個必要條件是：被髮布的對象必須是線程安全的，或者是有效的不可變對象（有效不可變意味着對象的狀態在發佈之後永遠不會被修改）。volatile 類型的引用可以確保對象的發佈形式的可見性，但是如果對象的狀態在發佈後將發生更改，那麼就需要額外的同步。

模式 #3：獨立觀察（independent observation）

安全使用 volatile 的另一種簡單模式是：定期 “發佈” 觀察結果供程序內部使用。例如，假設有一種環境傳感器能夠感覺環境溫度。一個後臺線程可能會每隔幾秒讀取一次該傳感器，並更新包含當前文檔的 volatile 變量。然後，其他線程可以讀取這個變量，從而隨時能夠看到最新的溫度值。

使用該模式的另一種應用程序就是收集程序的統計信息。清單 4 展示了身份驗證機制如何記憶最近一次登錄的用戶的名字。將反覆使用lastUser 引用來發布值，以供程序的其他部分使用。

清單 4. 將 volatile 變量用於多個獨立觀察結果的發佈

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展；將某個值發佈以在程序內的其他地方使用，但是與一次性事件的發佈不同，這是一系列獨立事件。這個模式要求被髮布的值是有效不可變的 —— 即值的狀態在發佈後不會更改。使用該值的代碼需要清楚該值可能隨時發生變化。

模式 #4：“volatile bean” 模式

volatile bean 模式適用於將 JavaBeans 作爲“榮譽結構”使用的框架。在 volatile bean 模式中，JavaBean 被用作一組具有 getter 和/或 setter 方法 的獨立屬性的容器。volatile bean 模式的基本原理是：很多框架爲易變數據的持有者（例如 HttpSession）提供了容器，但是放入這些容器中的對象必須是線程安全的。

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有數據成員都是 volatile 類型的，並且 getter 和 setter 方法必須非常普通 —— 除了獲取或設置相應的屬性外，不能包含任何邏輯。此外，對於對象引用的數據成員，引用的對象必須是有效不可變的。（這將禁止具有數組值的屬性，因爲當數組引用被聲明爲 volatile 時，只有引用而不是數組本身具有 volatile 語義）。對於任何 volatile 變量，不變式或約束都不能包含 JavaBean 屬性。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 的高級模式

前面幾節介紹的模式涵蓋了大部分的基本用例，在這些模式中使用 volatile 非常有用並且簡單。這一節將介紹一種更加高級的模式，在該模式中，volatile 將提供性能或可伸縮性優勢。

volatile 應用的的高級模式非常脆弱。因此，必須對假設的條件仔細證明，並且這些模式被嚴格地封裝了起來，因爲即使非常小的更改也會損壞您的代碼！同樣，使用更高級的 volatile 用例的原因是它能夠提升性能，確保在開始應用高級模式之前，真正確定需要實現這種性能獲益。需要對這些模式進行權衡，放棄可讀性或可維護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嚴格的測試程序證明您需要它），那麼這很可能是一次糟糕的交易，因爲您很可能會得不償失，換來的東西要比放棄的東西價值更低。

模式 #5：開銷較低的讀－寫鎖策略

目前爲止，您應該瞭解了 volatile 的功能還不足以實現計數器。因爲 ++x 實際上是三種操作（讀、添加、存儲）的簡單組合，如果多個線程湊巧試圖同時對 volatile 計數器執行增量操作，那麼它的更新值有可能會丟失。

然而，如果讀操作遠遠超過寫操作，您可以結合使用內部鎖和 volatile 變量來減少公共代碼路徑的開銷。清單 6 中顯示的線程安全的計數器使用synchronized 確保增量操作是原子的，並使用 volatile 保證當前結果的可見性。如果更新不頻繁的話，該方法可實現更好的性能，因爲讀路徑的開銷僅僅涉及 volatile 讀操作，這通常要優於一個無競爭的鎖獲取的開銷。

清單 6. 結合使用 volatile 和 synchronized 實現 “開銷較低的讀－寫鎖”

@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++;
    }
}

之所以將這種技術稱之爲 “開銷較低的讀－寫鎖” 是因爲您使用了不同的同步機制進行讀寫操作。因爲本例中的寫操作違反了使用 volatile 的第一個條件，因此不能使用 volatile 安全地實現計數器 —— 您必須使用鎖。然而，您可以在讀操作中使用 volatile 確保當前值的可見性，因此可以使用鎖進行所有變化的操作，使用 volatile 進行只讀操作。其中，鎖一次只允許一個線程訪問值，volatile 允許多個線程執行讀操作，因此當使用 volatile 保證讀代碼路徑時，要比使用鎖執行全部代碼路徑獲得更高的共享度 —— 就像讀－寫操作一樣。然而，要隨時牢記這種模式的弱點：如果超越了該模式的最基本應用，結合這兩個競爭的同步機制將變得非常困難。