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Java の volatile キーワードは、マルチスレッド プログラミングにおいて非常に重要な概念であり、複数のスレッド間で変数の可視性を確保できるため、スレッドの安全性の問題を回避できます。この記事では、Java における volatile の関連知識を詳しく紹介します。
1. 揮発性とは何か
Java では、各スレッドには独自のスレッド スタックがあり、ローカル変数やメソッド パラメーターなどの情報が含まれています。スレッドがオブジェクトのメンバー変数にアクセスするとき、スレッドはまずメンバー変数をメイン メモリからスレッドの作業メモリに読み取り、次にその変数を操作し、最後に変更された値をメイン メモリの中央に書き込みます。この方法はプログラムの実行効率を向上させますが、スレッドの安全性の問題もいくつか引き起こします。
複数のスレッドが同時に同じ変数を操作する場合、各スレッドには独自の作業メモリがあるため、異なるスレッド間でデータの不整合が生じる可能性があります。たとえば、スレッドは変数を変更しますが、変更がメイン メモリに書き戻されていないため、別のスレッドが変数を読み取るときに古い値を取得したままになり、スレッドの安全性の問題が発生します。
この問題を解決するために、Java は volatile キーワードを提供します。volatile を使用して宣言された変数は、複数のスレッド間で変数の可視性を確保できます。つまり、1 つのスレッドが変数の値を変更すると、他のスレッドはその変更を即座に確認できます。これは、volatile 変数の値がスレッドの作業メモリに最初に書き込まれるのではなく、メイン メモリに直接書き込まれるため、異なるスレッド間でのデータの不整合の問題が回避されます。
第二に、揮発性の特徴
可視性に加えて、volatile には次の機能があります。
1. 原子性
volatile 変数は、その読み取りと書き込みのアトミック性のみを保証できます。つまり、各読み取りと書き込みの操作は分割できません。ただし、複数のスレッドが同時に揮発性変数に書き込む場合、これらの操作でも競合状態が発生し、データの不整合が発生する可能性があります。
2. シーケンス
揮発性変数は、読み取り操作と書き込み操作の順序性を保証できます。つまり、書き込み操作が読み取り操作に先行します。これは、あるスレッドが揮発性変数に書き込むと、他のスレッドがその変数を読み取るときに最新の値を参照することを意味します。
3. 可視性
volatile 変数は、複数のスレッド間でその変数の可視性を保証できます。つまり、スレッドが変数の値を変更すると、他のスレッドはその変更を即座に確認できます。これは、volatile 変数の値が最初にスレッドの作業メモリに書き込まれるのではなく、メイン メモリに直接書き込まれるため、異なるスレッド間でのデータの不整合の問題が回避されます。
3 つの不安定な使用シナリオ
Volatile は通常、次の状況で使用されます。
1. マークビット
変数が特定の状態をマークするためにのみ使用される場合、 volatile キーワードを使用して、複数のスレッド間でその変数の可視性を確保できます。たとえば、Java では、Thread クラスの Interrupted() メソッドは、volatile キーワードを使用して実装されます。
2. ダブルチェックロック
二重チェックされたロックは一般的なシングルトン モードの実装であり、その正確性を保証するにはマルチスレッド環境で volatile キーワードを使用する必要があります。具体的な実装については、次のコードを参照してください。
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
3. カウンター
変数をカウントに使用する場合、 volatile キーワードを使用して、複数のスレッド間で変数の可視性と原子性を確保できます。たとえば、Java では、AtomicInteger クラスは volatile キーワードを使用して実装されます。
4. 状態変数
変数を使用して状態を表す場合、 volatile キーワードを使用して複数のスレッド間で変数を確実に可視化できます。たとえば、Java では、ConcurrentHashMap のセグメントは volatile キーワードを使用して実装されます。
つまり、volatile キーワードは主に複数のスレッド間で変数の可視性を確保するために使用されますが、アトミック性は保証されません。アトミック性を確保する必要がある場合は、synchronized キーワードまたは Lock インターフェイスを使用してロックできます。
第四に、揮発性の利点と欠点
1. 利点
(1) 可視性: volatile 変数の値は複数のスレッド間で可視であり、あるスレッドによる volatile 変数の変更は他のスレッドに即座に認識されるため、データの不整合の問題が回避されます。
(2) シーケンス: 揮発性変数の読み取りおよび書き込み操作はシーケンシャルであるため、書き込み操作が読み取り操作に先行することが保証され、それによってダーティ読み取りやファントム読み取りなどの問題が回避されます。
(3) 軽量: synchronized キーワードや Lock インターフェイスと比較して、volatile キーワードにはロック機構がないため、マルチスレッド対話シナリオでは volatile 変数を使用することでプログラムの実行効率を向上させることができます。
2. デメリット
(1) アトミック操作はサポートされていません。揮発性変数は、読み取りおよび書き込み操作の順序と可視性を保証できますが、アトミック性は保証できません。複数のスレッドが揮発性変数に同時に書き込むと、依然として競合状態が発生し、データの不整合が発生する可能性があります。
(2) synchronized キーワードを置き換えることはできません: volatile キーワードはプログラムの実行効率を向上させることができますが、一部の複雑なマルチスレッド対話シナリオでは、スレッドの安全性を確保するために synchronized キーワードまたは Lock インターフェイスを使用する必要があります。
5. volatile の正しい使い方
volatile キーワードを正しく使用するには、次の原則に従う必要があります。
1. 複合操作を避ける
複合操作とは、複数の読み取りおよび書き込み操作を含むコード ブロックを指します。このようなコード ブロックは競合状態になりやすく、データの不整合を引き起こす可能性があります。したがって、揮発性変数を使用する場合は、複合操作をできるだけ避け、それぞれの読み取り操作と書き込み操作を個別に実行する必要があります。
2. アトミック クラスの使用
変数のアトミック性を保証する必要がある場合は、Java で提供される AtomicInteger、AtomicLong などのアトミック クラスを使用できます。これらのアトミック クラスは、変数の読み取りおよび書き込み操作のアトミック性を保証できるため、競合状態を回避できます。
3. 揮発性変数の値に依存しないようにする
volatile 変数はアトミック性を保証しないため、volatile 変数を使用する場合は値の正確さに依存しないようにする必要があります。たとえば、カウント操作に揮発性変数を使用する場合、カウントの正確さを保証するためにアトミック クラスまたは synchronized キーワードを使用する必要があります。
4. volatile変数をfinalとして宣言します
volatile 変数を Final として宣言すると、初期化後に変数が変更されなくなり、潜在的なスレッド セーフティの問題が回避されます。
5. ロックを使用してスレッドの安全性を確保する
volatile キーワードを使用するとプログラムの実行効率が向上しますが、一部の複雑なマルチスレッド対話シナリオでは、スレッドの安全性を確保するために synchronized キーワードまたは Lock インターフェイスを使用する必要があります。
volatile キーワードを適切に使用すると、プログラムの実行効率が向上し、データの不整合が回避されますが、アトミック性は保証されず、特定のシナリオに応じて選択する必要があることに注意してください。
6. 揮発性と同期の比較
1. 原則
(1) volatile: volatile キーワードで変更された変数は、複数のスレッド間での可視性と順序を持ちますが、アトミック性は保証されません。
(2) synchronized: synchronized キーワードを使用すると、1 つのスレッドだけがクリティカル セクション コードを同時に実行できるようになり、スレッドの安全性とデータの一貫性が確保されます。
2. 適用可能なシナリオ
(1) volatile: 変数の読み取りおよび書き込み操作に適しており、複数のスレッド間で変数の可視性と順序を保証する必要があります。たとえば、カウンター、フラグなどです。
(2) 同期: 共有リソースへの読み書き操作に適しており、複数のスレッド間で相互排他アクセスを保証する必要があります。たとえば、生産者と消費者のパターン、銀行口座振替などです。
3. 性能比較
(1) volatile: volatile 変数にはロック機構がないため、volatile 変数を使用すると、マルチスレッド対話のシナリオでプログラムの実行効率を向上させることができます。
(2) synchronized: synchronized キーワードはロックの取得と解放を行う必要があるため、マルチスレッド対話のシナリオでは synchronized キーワードを使用するとプログラムの実行効率が低下します。
4. 使用上の推奨事項
(1) 変数の可視性と順序を保証する必要があるが、アトミック性を保証する必要はない場合は、 volatile キーワードを使用できます。
(2) 複数のスレッド間の相互排除とデータの一貫性を確保する必要がある場合は、synchronized キーワードまたは Lock インターフェイスを使用する必要があります。
(3) いくつかの単純なシナリオでは、synchronized キーワードの代わりに volatile キーワードを使用してスレッドの安全性を確保し、それによってプログラムの実行効率を向上させることができます。ただし、一部の複雑なシナリオでは、スレッドの安全性を確保するために synchronized キーワードまたは Lock インターフェイスを使用する必要があります。
volatile キーワードと synchronized キーワードはどちらも Java でスレッドの安全性を確保するために使用されるメカニズムですが、その機能と適用可能なシナリオは異なります。実際の開発では、スレッドの安全性とデータの一貫性を確保するために、特定の要件に従って適切なメカニズムを選択する必要があります。
7. 注意すべき事項
1. volatile キーワードを乱用しないでください
volatile キーワードはプログラムの実行効率を向上させることができますが、アトミック性を保証することはできません。また、スレッドの安全性を確保するために synchronized キーワードを置き換えることもできません。したがって、volatile キーワードを使用する場合は、適用されるシナリオを慎重に検討し、悪用を避ける必要があります。
2. 揮発性変数の値に依存しないでください。
volatile 変数はアトミック性を保証できないため、カウント操作に volatile 変数を使用する場合は、アトミック クラスまたは同期キーワードを使用してカウントの正確さを保証する必要があります。
3. volatile変数をfinalとして宣言します
volatile 変数を Final として宣言すると、初期化後に変数が変更されなくなり、潜在的なスレッド セーフティの問題が回避されます。
4. メモリの可視性に注意する
volatile キーワードは変数の可視性を保証できますが、マルチスレッド対話のシナリオではメモリの可視性の問題に注意を払う必要があります。たとえば、スレッド A が共有変数の値を変更しますが、この値はメイン メモリに書き込まれていないため、スレッド B がこの変数を読み取ると古い値が読み取られ、データの不整合が発生する可能性があります。
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