正确理解volatile与happens-before

1. 双重校验锁实现单例的问题

在延迟实现单例时，一般代码形式如下：

public class Foo {
    private static volatile Foo instance;

    public static Foo getInstance() {
        //第一次检查，不锁定
        if (null == instance) {
            //一旦初始化，第一次检查将无法通过，不会有锁定开销
            synchronized (Foo.class) {
                //第二次检查，锁定
                if (null == instance) {
                    instance = new Foo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

看起来很简单，但这里有个容易忽略的点，就是instance变量，需要用volatile修饰。

为什么？如果不加的话会有什么问题呢？

让我们把目光聚焦到第11行，初始化instance变量。这一行代码可以分解为如下3行伪代码。

memory = allocate(); //1. 分配对象的内存空间

ctorInstance(memory);//2. 初始化对象

instance = memory; //3.设置instance指向刚分配的内存地址

上面伪代码中的2和3，是可能会被重排序的，重排序后将变成如下时序：

memory = allocate(); //1. 分配对象的内存空间

instance = memory; //3.设置instance指向刚分配的内存地址，注意，此时对象未初始化。 

ctorInstance(memory);//2. 初始化对象

那么在多线程并发的场景下，假设有两条线程AB同时访问这个方法，可能发生以下的访问顺序：

时间                            线程A                                                     线程B

1                          分配内存空间（对应1）                       

2               设置instance指向内存空间（对应3）

3                                                                                    判断instance是否为null

4                                                                                 由于instance不为null, 不再等待进行临界区，直接访问instance引用的对象

5                           初始化对象（对应2）

这样一来，B在访问instance变量时，可能由于instance未初始化而导致出现一些异常。

那么，为什么加上volatile修饰就可以避免这种情况呢？这就涉及到happens-before和volatile的语义了。

2.happens-before与volatile语义

从JDK5开始，Java使用新的JSR-133内存模型。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，以这两个操作之间必须要有happens-before关系。这里提到的两个操作，既可以是在一个线程之内，也可以是在不同的线程之间。

与程序员密切相关的happens-before规则如下。

1）程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程的任意后续操作。

2）监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

3）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。

4）传递性：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C.

理解volatile特性的一个好方法是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步。也就是说，对任意单个volatile变化的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

那么上面第三条规则是怎么实现的呢？请参考：深入理解Java内存模型（四）——volatile

简单来说，就是在volatile写之后加入了一个StoreLoad屏障，防止后面的读与前面的写重排序了。这样后面的线程读到的，就是一个完整的对象。

参考：《Java并发编程的艺术》