volatile 关键字

如何保证变量的可见性

• 在 Java 中，volatile 关键字可以保证变量的可见性，如果变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取
  

如何禁止指令重排

• 在 Java 中，volatile 还有一个重要的作用就是防止 JVM 的指令重排序，如果将变量声明为 volatile ，在对这个变量进行读写操作的时候，会通过插入特定的内存屏障的方式来禁止指令重排序

• 在 Java 中，Unsafe 类提供了三个开箱即用的内存屏障相关的方法，屏蔽了操作系统底层的差异：
  public native void loadFence();
public native void storeFence();
public native void fullFence();

  理论上来说，通过这个三个方法也可以实现和 volatile 禁止重排序一样的效果，只是会麻烦一些

• 禁止指令重排效果演示

// 双重检查实现单例模式
public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public  static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}
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• 执行步骤 (uniqueInstance 采用 volatile 修饰)

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

为 uniqueInstance 分配内存空间

初始化 uniqueInstance

将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

• 由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1$\Rightarrow$ 3 $\Rightarrow$ 2

• 指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例

• 例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化

volatile 是否可以保证原子性

• volatile 关键字能保证变量的可见性，但不能保证对变量的操作是原子性的

• 假设对变量 inc 进行 ++ 操作，inc++ 其实是一个复合操作，包括三步：
  读取 inc 的值
  对 inc 加 1
  将 inc 的值写回内存

• volatile 是无法保证这三个操作是具有原子性的，有可能导致下面这种情况出现：
  线程 1 对 inc 进行读取操作之后，还未对其进行修改
  线程 2 又读取 inc 的值并对其进行修改(+1)，再将 inc 的值写回内存
  线程 2 操作完毕后，线程 1 对 inc 的值进行修改(+1)，再将 inc 的值写回内存

• 这就导致两个线程分别对 inc 进行一次自增操作后，inc 实际上只增加 1

• 如果想要保证上面的代码运行正确也非常简单，利用 synchronized 、Lock 或者 AtomicInteger 都可以

内存屏障

• 计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令重排，一般分为以下三种：源代码 $\Rightarrow$ 编译器优化的重排 $\Rightarrow$ 指令并行的重排 $\Rightarrow$ 内存系统的重排 $\Rightarrow$ 最终执行指令

• 单线程环境最终执行结果和代码顺序的结果一致

• 处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性

• 多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测

• volatile 实现禁止指令重排优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象

• 内存屏障(Memory Barrier)又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：保证特定操作的顺序 和 保证某些变量的内存可见性
  1、由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化，如果在程序中插入一条Memery Barrier(内存屏障)，那么就会告诉编译器和CPU不能对这条指令进行重排
  2、也就是说通过插入内存屏障，使屏障前后的指令不会进行重排优化
  3、内存屏障还可以强制刷出CPU的缓存，因此CPU上的线程都能读到这些数据的最新版本

• 内存屏障分为四种
  StoreStore 屏障、StoreLoad 屏障、LoadLoad 屏障、LoadStore 屏障

• Load 相当于读屏障，Store 相当于写屏障

• 工作流程
  

参考文章

• https://www.jb51.net/article/198929.htm
• javaguide