关键字: volatile详解

防重排序
我们从一个双检单例来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁(DCL)的方式来实现。其源码如下：

public class Singleton {
    public static volatile Singleton singleton;
    /**
     * 构造函数私有，禁止外部实例化
     */
    private Singleton() {};
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}
  

现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

• 分配内存空间。
• 初始化对象。
• 将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

• 分配内存空间。
• 将内存空间的地址赋值给对应的引用。
• 初始化对象

如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

一：实现可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区-线程工作内存。volatile关键字能解决这个问题：

 
public class VolatileTest {
    int a = 1;
    int b = 2;

    public void change(){
        a = 3;
        b = a;
    }

    public void print(){
        System.out.println("b="+b+";a="+a);
    }

    public static void main(String[] args) {
        while (true){
            final VolatileTest test = new VolatileTest();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.change();
                }
            }).start();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.print();
                }
            }).start();
        }
    }
}
  

直观上说，这段代码的结果只可能有两种：b=3;a=3 或 b=2;a=1。不过运行上面的代码(可能时间上要长一点)，你会发现除了上两种结果之外，还出现了第三种结果：

...... 
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1 // 这里
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......

正常情况下，如果先执行change方法，再执行print方法，输出结果应该为b=3;a=3。相反，如果先执行的print方法，再执行change方法，结果应该是 b=2;a=1。那b=3;a=1的结果是怎么出来的? 原因就是第一个线程将值a=3修改后，但是对第二个线程是不可见的，所以才出现这一结果。如果将a和b都改成volatile类型的变量再执行，则再也不会出现b=3;a=1的结果了。

二：保证原子性:单次读/写
volatile不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性。

对于原子性，需要强调一点，也是容易误解的一点：对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的，如long和double类型变量，但是并不能保证i++这种操作的原子性，因为本质上i++是读、写两次操作。

三：volatile 的可见性实现原理

volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障(Memory Barrier)实现。

• 内存屏障，又称内存栅栏，是一个 CPU 指令。
• 在程序运行时，为了提高执行性能，编译器和处理器会对指令进行重排序，JMM 为了保证在不同的编译器和 CPU上有相同的结果，通过插入特定类型的内存屏障来禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，插入一条内存屏障会告诉编译器和CPU：不管什么指令都不能和这条Memory Barrier 指令重排序。

编译后的会增加lock 前缀的指令，在多核处理器下会引发两件事情:

• 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
• 写回内存的操作会使在其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效。

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1，L2 或其他)后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。 如果对声明了 volatile 的变量进行写操作，JVM 就会向处理器发送一条 lock 前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。 为了保证各个处理器的缓存是一致的，实现了缓存一致性协议(MESI)，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。 所有多核处理器下还会完成：当处理器发现本地缓存失效后，就会从内存中重读该变量数据，即可以获取当前最新值。 volatile 变量通过这样的机制就使得每个线程都能获得该变量的最新值

lock 指令

早期的处理器中lock 前缀会使处理器执行当前指令时产生一个 LOCK# 信号，会对总线进行锁定，其它 CPU 对内存的读写请求都会被阻塞，直到锁释放。
后来的处理器，加锁操作是由高速缓存锁代替总线锁来处理。因为锁总线的开销比较大，锁总线期间其他 CPU 没法访问内存。这种场景多缓存的数据一致通过缓存一致性协议(MESI)来保证

缓存一致性

缓存是分段(line)的，一个段对应一块存储空间，称之为缓存行，它是 CPU 缓存中可分配的最小存储单元，大小 32 字节、64 字节、128 字节不等，这与 CPU 架构有关，通常来说是 64 字节。LOCK# 因为锁总线效率太低，因此使用了多组缓存。

为了使其行为看起来如同一组缓存那样。因而设计了 缓存一致性协议。缓存一致性协议有多种，但是日常处理的大多数计算机设备都属于 " 嗅探(snooping)" 协议。所有内存的传输都发生在一条共享的总线上，而所有的处理器都能看到这条总线。

缓存本身是独立的，但是内存是共享资源，所有的内存访问都要经过仲裁(同一个指令周期中，只有一个 CPU 缓存可以读写内存)。CPU 缓存不仅仅在做内存传输的时候才与总线打交道，而是不停在嗅探总线上发生的数据交换，跟踪其他缓存在做什么。当一个缓存代表它所属的处理器去读写内存时，其它处理器都会得到通知，它们以此来使自己的缓存保持同步。只要某个处理器写内存，其它处理器马上知道这块内存在它们的缓存段中已经失效。

四：volatile 的有序性实现原理
volatile 的 happens-before 规则中有一条是 volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。

//假设线程A执行writer方法，线程B执行reader方法
class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;
    
    public void writer() {
        a = 1;              // 1 线程A修改共享变量
        flag = true;        // 2 线程A写volatile变量
    } 
    
    public void reader() {
        if (flag) {         // 3 线程B读同一个volatile变量
        int i = a;          // 4 线程B读共享变量
        ……
        }
    }
}

根据 happens-before 规则，上面过程会建立 3 类 happens-before 关系。

• 根据程序次序规则：1 happens-before 2 且 3 happens-before 4。
• 根据 volatile 规则：2 happens-before 3。
• 根据 happens-before 的传递性规则：1 happens-before 4。
  

因为以上规则，当线程 A 将 volatile 变量 flag 更改为 true 后，线程 B 能够迅速感知

五：volatile 禁止重排序
为了性能优化，JMM 在不改变正确语义的前提下，会允许编译器和处理器对指令序列进行重排序。JMM 提供了内存屏障阻止这种重排序。Java 编译器会在生成指令系列时在适当的位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

" NO " 表示禁止重排序。

对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎是不可能的，为此，JMM 采取了保守的策略。

• 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障：禁止上面的普通写和下面的 volatile 写重排序。
• 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障：防止上面的 volatile 写与下面可能有的 volatile 读/写重排序。
• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障：禁止下面所有的普通读操作和上面的 volatile 读重排序。
• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障：禁止下面所有的普通写操作和上面的 volatile 读重排序。

六：volatile 的应用场景
使用 volatile 必须具备的条件

• 对变量的写操作不依赖于当前值。
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
• 只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

1：状态标志

实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。

2：独立观察(independent observation)

安全使用 volatile 的另一种简单模式是定期 发布 观察结果供程序内部使用。例如，假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器，并更新包含当前文档的 volatile 变量。然后，其他线程可以读取这个变量，从而随时能够看到最新的温度值。

3：volatile bean 模式

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的，并且 getter 和 setter 方法必须非常普通 —— 除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。此外，对于对象引用的数据成员，引用的对象必须是有效不可变的。(这将禁止具有数组值的属性，因为当数组引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义)。对于任何 volatile 变量，不变式或约束都不能包含 JavaBean 属性。

4：开销较低的读－写锁策略

volatile 的功能还不足以实现计数器。因为 ++x 实际上是三种操作(读、添加、存储)的简单组合，如果多个线程凑巧试图同时对 volatile 计数器执行增量操作，那么它的更新值有可能会丢失。
如果读操作远远超过写操作，可以结合使用内部锁和 volatile 变量来减少公共代码路径的开销。
安全的计数器使用 synchronized 确保增量操作是原子的，并使用 volatile 保证当前结果的可见性。如果更新不频繁的话，该方法可实现更好的性能，因为读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操作，这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

5：双重检查(double-checked)

就是我们上面举的例子。 单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略 volatile 关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是 100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的 bug 就出来了。