《Java线程与并发编程实践》—— 2.4 volatile和final变量

本节书摘来异步社区《Java线程与并发编程实践》一书中的第2章，第2.4节，作者： 【美】Jeff Friesen，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

2.4　volatile和final变量

你之前学到的同步展示了两种属性：互斥性和可见性。synchronized关键字与两者都有关系。Java同时也提供了一种更弱的、仅仅包含可见性的同步形式，并且只以volatile关键字关联。

假设你自己设计了一个停止线程的机制（因为无法使用Thread不安全的stop()方法））。清单2-2中ThreadStopping程序源码展示了该如何完成这项任务。

清单2-2　尝试停止一个线程

public class ThreadStopping { public static void main(String[] args) { class StoppableThread extends Thread { private boolean stopped; // defaults to false @Override public void run() { while(!stopped) System.out.println("running"); } void stopThread() { stopped = true; } } StoppableThread thd = new StoppableThread(); thd.start(); try { Thread.sleep(1000); // sleep for 1 second } catch (InterruptedException ie) { } thd.stopThread(); } }``` 清单2-2中的main()方法声明了一个叫做StoppableThread的本地类，它继承自Thread。在初始化完StoppableThread之后，默认的主线程启动和这个 Thread对象关联的线程。之后它睡眠 1 秒，并且在死亡之前调用StoppableThread的stop()方法。 StoppableThread声明了一个被初始化为false的stopped实例变量，stopThread()方法会将该变量设置为true，同时run()方法中的while循环会在每次迭代中检查stopped的值是否已经修改为true。 照下面编译清单2-2：

javac ThreadStopping.java运行程序：

java ThreadStopping`你应该能观测到一系列运行时的消息。

当你在单处理器/单核的机器上运行这个程序的时候，很可能会观测到程序停止。但是在一个多处理器的机器或多核单处理器的机器上，可能就看不到程序停止，因为每个处理器或者核心很可能有自己的一份stopped的拷贝，当一条线程修改了自己的拷贝，其他线程的拷贝并没有被改变。

你或许决定使用synchronized关键字以确保只能访问主存中的stopped变量。然后经过一番思考，你决定在清单2-3中使用同步访问一对临界区的方式来解决这个问题。

清单2-3　尝试使用synchronized来停止一个线程

public class ThreadStopping { public static void main(String[] args) { class StoppableThread extends Thread { private boolean stopped; // defaults to false @Override public void run() { synchronized(this) { while(!stopped) System.out.println("running"); } } synchronized void stopThread() { stopped = true; } } StoppableThread thd = new StoppableThread(); thd.start(); try { Thread.sleep(1000); // sleep for 1 second } catch (InterruptedException ie) { } thd.stopThread(); } }``` 出于两个因素考虑，清单2-3不是一个好主意。尽管你只需解决可见性的问题，synchronized却同时解决了互斥的问题（在该程序中不是个问题）。更重要的是，你还往程序中引进了另一个更严重的问题。 你已经正确地对stopped进行了同步访问，但是进一步观察run()方法中的同步块，尤其是这个while循环。由于正在执行循环的这个线程已经获取了当前StoppableThread对象（通过synchronized(this)）的锁，这个循环不会终止。因为默认的主线程需要获取相同的锁，所以它在该对象上调用stopThread()方法的任意尝试都会导致自己被阻塞住。 你可以使用局部变量并在同步块中将stopped的值赋给这个变量来解决这一问题，如下所示：

public void run(){ boolean _stopped = false; while (!_stopped) {

synchronized(this) { _stopped = stopped; } System.out.println("running");

}}`不过，每次循环迭代都要尝试获取锁的方式会存在性能开销（还不如以前），所以这个解决方式是得不偿失的。清单2-4展示了一个更为高效且整洁的方法。

清单2-4　尝试通过volatile关键字来停止一个线程

public class ThreadStopping { public static void main(String[] args) { class StoppableThread extends Thread { private #####volatile boolean stopped; // defaults to false @Override public void run() { while(!stopped) System.out.println("running"); } void stopThread() { stopped = true; } } StoppableThread thd = new StoppableThread(); thd.start(); try { Thread.sleep(1000); // sleep for 1 second } catch (InterruptedException ie) { } thd.stopThread(); } }``` 由于stopped已经标记为volatile，每条线程都会访问主存中该变量的拷贝而不会访问缓存中的拷贝。这样，即使在多处理器或者多核的机器上，该程序也会停止。 警告： 　 >只有可见性导致问题时，才应该使用volatile。而且，你也只能在属性声明处才能使用这个保留字（如果你尝试将局部变量声明成volatitle``，会收到一个错误）。最后，你可以将double和long型的属性声明成volatile，但是应该避免在32位的JVM上这样做，原因是此时访问一个double或者long型的变量值需要进行两步操作，若要安全地访问它们的值，互斥（通过synchronized）是必要的。 当一个属性变量声明成volatile，就不能同时被声明final的。不过，由于Java可以让你安全地访问final的属性而无需同步，这也就不能称之为一个问题了。为了克服DeadlockDemo中的缓存变量问题，我把lock1和lock2都标记成final，尽管也能将它们标记成volatile的。 以后，你会经常使用final关键字来确保在不可变（不会发生改变）类的上下文中线程的安全性。参考清单2-5。 清单2-5　借助于final创建一个不可变且线程安全的类

import java.util.Set;import java.util.TreeSet;

public final class Planets{ private final Set planets = new TreeSet<>();

public Planets() {

planets.add("Mercury"); planets.add("Venus"); planets.add("Earth"); planets.add("Mars"); planets.add("Jupiter"); planets.add("Saturn"); planets.add("Uranus"); planets.add("Neptune");

}

public boolean isPlanet(String planetName) {

return planets.contains(planetName);

}}`清单2-5展示了一个不可变类Planets，其对象存储着星球名字的集合。尽管集合是可变的，但这个类的设计却保证在构造函数退出之后，集合不会再被改变。通过声明planet``s为final，这个属性的引用不能被更改。而且，该引用也不能被缓存，所以缓存变量的问题也不复存在。

关于不可变对象，Java提供了一种特殊的线程安全的保证。即便没有用同步来发布（暴露）这些对象的引用，它们依然可以被多条线程安全地访问。不可变对象提供了下列易于识别的规则：

不可变对象绝对不允许状态变更。所有的属性必须声明成final。对象必须被恰当地构造出来以防this引用脱离构造函数。最后一点很让人迷惑，所以这里给出一个this显式地脱离构造函数的简单例子：

public class ThisEscapeDemo { private static ThisEscapeDemo lastCreatedInstance; public ThisEscapeDemo() { lastCreatedInstance = this; } 相关资源：敏捷开发V1.0.pptx