【Java 并发编程系列】：深入剖析volatile关键字
语义
volatile关键字是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，volatile修饰的变量具备两个特性：
- 保证此变量对所有线程的可见性。
- 禁止指令重排序优化。
实现原理
可见性
加锁如何解决可见性问题？
因为某一个线程进入synchronized代码块前后，线程会获得锁，清空工作内存，从主内存拷贝共享变量最新的值到工作内存成为副本，执行代码，将修改后的副本的值刷新回主内存中，线程释放锁。
而获取不到锁的线程会阻塞等待，所以变量的值肯定一直都是最新的。
volatile如何解决可见性问题？
每个线程操作数据的时候会把数据从主内存读取到自己的工作内存，如果操作了数据并且写回主内存，则其他线程已经读取的变量副本就会失效，需要再次去主内存中读取。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然要通过加锁（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
- 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
指令重排序
指令重排序
为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序。一般重排序可以分为如下三种：
-
编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
-
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
-
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。
但是不管怎么重排序，单线程下的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
volatile如何禁止指令重排序？
下面是一段标准的双锁检测（Double Check Lock，DCL）单例代码，通过观察加入volatile
和未加入volatile关键字时所生成的汇编代码的差别（如何获得即时编译的汇编代码？请参考附录关于HSDIS插件的介绍）。
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;
}
}
通过对比发现，关键变化在于有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“lock addl $0x0,(%rsp)”操作，
这个操作的作用相当于一个内存屏障
（Memory Barrier或Memory Fence，指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置）。
IA-32架构软件开发者手册中规定，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情：
- 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
- 这个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。
在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，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。
由此可见，Java编译器会在生成指令系列时在适当的位置插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。
JMM针对编译器制定volatile重排序规则表：
需要注意的是：volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障。
- 写操作：
- 读操作：
使用场景
解决单例双重检查对象初始化代码执行乱序问题
创建对象步骤：
- 分配内存空间
- 调用构造器，初始化实例
- 返回地址给引用
对象创建过程有可能发生指令重排序：在内存里面开辟了一片存储区域后直接返回内存的引用，这个时候还没真正的初始化完对象，因而发生异常。使用volatile禁止指令重排可解决。
补充
总线风暴
由于volatile的MESI缓存一致性协议，不断从主内存嗅探和cas不断循环，无效交互会导致总线带宽达到峰值，造成其他的功能通信的延迟。所以根据场景使用volatile或锁。
volatile与synchronized的区别
- volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以用在变量、方法、类、以及代码块。
- volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全); 而synchronized是一种排他(互斥)的机制，保证变量的修改可见性和原子性。
- volatile不会造成线程阻塞。synchronized可能会造成线程阻塞。
- volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原子性，但是如果是对一个共享变量进行多个线程的赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，可以保证线程安全。
附录
HSDIS 反汇编插件
虚拟机提供了一组通用的反汇编接口，可以接入各种平台下的反汇编适配器，64位x86平台选用hsdis-amd64，下载后将其放置在JAVA_HOME/lib/amd64/server下，只要与jvm.dll或libjvm.so的路径相同即可被虚拟机调用。为虚拟机安装反汇编适配器后，就可以使用-XX:+PrintAssembly参数要求虚拟机打印编译方法的汇编代码。
- 下载hsdis-amd64.dll放到JRE_HOME/bin/server路径下
- 添加虚拟机参数
-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*Singleton.*并启动
参考文献：
- 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》
- 《Java并发编程的艺术》
- The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
- 面试官没想到一个Volatile，我都能跟他扯半小时
