Java中的Volatile关键字

前两天，并行实验室发表了一篇有关volatile关键字的文章^[1]，而该文参考文献中的Sayonara volatile^[2]则更直接地要与volatile再见。两篇文章不谋而合，从c/c++到Java/.net，将这几门语言中的volatile过了一遍。列举出各种乱象，看上去volatile是如此不堪。

确实，volatile的语义不是那么常见。不是锁，但是它又拥有锁的部分特性（可见性，Java 5以后还有顺序保证）。如果不能正确理解，确实是个容易出错的地方。但是如果理解了用对了，仅就Java 5以及以后的版本而言，在目前阶段，volatile对性能上的提升还是有帮助的。

Volatile在Java中的语义以及历史

在维基百科上，对Java中的Volatile给了一个准确的定义^[6]：

• (In all versions of Java) There is a global ordering on the reads and writes to a volatile variable. This implies that every thread accessing a volatile field will read its current value before continuing, instead of (potentially) using a cached value. (However, there is no guarantee about the relative ordering of volatile reads and writes with regular reads and writes, meaning that it’s generally not a useful threading construct.)
• (In Java 5 or later) Volatile reads and writes establish a happens-before relationship, much like acquiring and releasing a mutex.

翻译过来就是：

• (在所有的Java版本中)对volatile变量上的读和写有一个全局排序。这暗示着每个线程访问一个volatile域时在往下运行之前将读到当前的值，而不是(有可能)使用一个缓存值。(然而，在volatie变量的读写与常规的读写之间的排序没有保证，意味着volatile通常不是一个有用的线程化的构造)
• (在Java5及之后版本中) Volatile读和写建立了一种happens-before关系，就像获取和释放一个互斥体。

在Java中，要正确地并发，必须在原子性、可见性和顺序性三个方面做出保证。在Java 5以前的版本中，volatile就已经实现了可见性，但是因为不能保证与普通变量读写之间的顺序，故而经常是没有用的。在Java 5以后的版本中，则额外保证了其与普通变量读写的顺序性。这里不是特别好懂，我们将javamx上的例子^{[3] [4]}改造一下：

public class MyBrokenFactory {
  private static volatile MyFactory instance;
  private int field1, field2 ...
 
  public static MyBrokenFactory getFactory() {
    // This is incorrect: don't do it at home, kids!
    if (instance == null) {
      synchronized (MyBrokenFactory.class) {
        if (instance == null)
          instance = new MyBrokenFactory();
      }
    }
    return instance;
  }
 
  private MyBrokenFactory() {
    field1 = ...
    field2 = ...
  }
}

上面的代码，在Java5以前，这个例子是不能正确工作的，因为volatile不保证对field1,field2的初始化（常规读写）一定在对volatile变量instance的写之前完成。但双检查锁本身并非volatile导致的，反而是Java 1.5的volatile让双检查锁能正确工作了。并行实验室将双检查锁不正确算在volatile的头上，有点冤了。

正是因为volatile在Java 5以前没有得到正确实现，更添加了不少复杂性。在Java 5之前，volatile基本没用处。

Volatile的实现机制分析

在Hotspot JVM中，
a) 在JVM层次，对volatile变量在线程本地工作区中不做缓存，对volatile的读写总是指向堆中的引用。可以视作在一个assign指令后总是跟着一个store指令^[5]。
b) 在机器码执行层次，通过内存屏障指令等迫使CPU不重排序，清除缓存，详细请参考《Memory Barriers and JVM Concurrency》的分析。

这与synchronized是有明显不同的，synchronized通常需要原子锁定，在SMP上要通过锁定总线等方式来实现，其代价在大多数平台上通常要比volatile高得多。

Performance

引入Volatile的主要目的，就是为了性能。我分下面几个方面来谈谈volatile在目前的Java平台中的作用。

直接性能比较

简单写了一个测试来比较一下volatile以及它的两种替代品 — 原子类型(atomic)和锁(此处指synchronized)。例子的代码改编自庄周梦蝶的slides《Java NIO trick and trap》中的SystemTimer（部分代码省略，完整源码在Github上）。这个测试只是一个例子，但其实在网络库里都要做定时，原理也大抵如此。

第一个版本如下：

package me.xiping.volitileverify;
public class SystemTimerV1 {
	private final static ScheduledExecutorService executor = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
	private static final long tickUnit = Long.parseLong(System.getProperty(
			"notify.systimer.tick", "50"));
	private static volatile long time = System.currentTimeMillis();
 
	private static class TimerTicker implements Runnable {
		public void run() {
			time = System.currentTimeMillis();
		}
	}
 
	public static long currentTimeMillis() {
		return time;
	}
 
	static {
		executor.scheduleAtFixedRate(new TimerTicker(), tickUnit, tickUnit,
				TimeUnit.MILLISECONDS);
		Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
			@Override
			public void run() {
				executor.shutdown();
			}
		});
	}
}

代码的重点在于volatile修饰的time域。time是一个只有一个线程写，其他线程都是读的域，没有并发修改，这里要解决的就是可见性。这正是volatile最适合的场合。

第二个版本使用synchronize关键字，与版本V1的不同如下：

package me.xiping.volitileverify;
public class SystemTimerV2 {
	....
	private static long time = System.currentTimeMillis();
 
	private static class TimerTicker implements Runnable {
		public void run() {
			synchronized (SystemTimerV2.class) {
				time = System.currentTimeMillis();
			}
		}
	}
 
	public static synchronized long currentTimeMillis() {
		return time;
	}
	....
}

第二个版本使用Java的内部锁来同步，既保证了原子性，也保证了可见性。第三个版本则是使用AtomicLong来实现的，如下：

package me.xiping.volitileverify;
 
public class SystemTimerV3 {
	......
	private static AtomicLong time = new AtomicLong(System.currentTimeMillis());
 
	private static class TimerTicker implements Runnable {
		public void run() {
			time.set(System.currentTimeMillis());
		}
	}
 
	public static long currentTimeMillis() {
		return time.get();
	}
	.....
}

在我的本上(cpu: 2core; OS: win7/cygwin; java:1.6.0_13)运行100万次，其性能如上面右图一所示(单位:ms)。

运行1000万次性能如图二所示(注意纵坐标的值与图一不一样)。

结论：性能上的优越性是显而易见的。volatile比AtomicLong明细要快，相比于synchronized则有几倍几十倍的提高了。
（欢迎在不同平台下测试并在评论中给一个反馈，反馈时请包括处理器信息（平台，core数），OS和Java版本。源代码在这里。编译和运行需要Ant，具体指南请参考这里。）

[Update, Dec15th： 图片是用Google Chart API 生成的，在源代码中包含着两个自动执行测试并生成图片URL的脚本。脚本需运行在Bash环境下，Windows上需在Cygwin下运行。]

Mina/netty对volatile的利用

写博文时顺便统计了下volatile在一些性能比较重要的程序中的情况，我顺手统计了手边有的mina和netty两个项目的核心代码，数据如下：

Project	sources path	synchronized occurrence	volatile occurrence
netty	src/main/java	150	177
mina	src/main/java	216	55

其中，mina是2009-3-31日Subversion的trunk，如下：

$svn info
Path: .
URL: http://svn.apache.org/repos/asf/mina/trunk
Repository Root: http://svn.apache.org/repos/asf
Repository UUID: 13f79535-47bb-0310-9956-ffa450edef68
Revision: 761900
Node Kind: directory
Schedule: normal
Last Changed Author: jvermillard
Last Changed Rev: 760493
Last Changed Date: 2009-03-31 23:49:15 +0800 (Tue, 31 Mar 2009)

netty的版本信息是：

$git log
commit 1ffb1aea75c36def56b709bd0892b19df78d9249
Author: Trustin Lee 
Date:   Fri Nov 12 10:20:03 2010 +0900

从侧面证明了volatile其实是很重要的，在性能很重要的场合，应用还是比较多的。

结论

总而言之，相比与Atomic和synchronized，volatile在性能上还是有显著的优势。

不过，正如文章中开头讨论的那样，volatile的缺点也显而易见，需要开发者对volatile的应用需要对内存模型的理解，否则容易误解而造成错误。在并发程序中，其仅可用于JVM支持的几个基本类型(int,short,long,double,reference, etc.)，而这几个基本类型皆有对应的完整并发特性的包装原子类型(java.util.concurrent.atomic.*)，虽然其性能与volatile有些差距，但大部分情形下也可代替volatile（但用synchronized来代替volatile是很不划算的）。

1. 为什么在多核多线程程序中要慎用volatile关键字？
2. Sayonara volatile
3. Double-checked Locking (DCL) and how to fix it
4. Double-checked Locking (DCL) and how to fix it (ctd)
5. JVM specification#Threads and Locks
6. Volatile variable#Java
7. http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
8. Memory Barriers and JVM Concurrency

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