volatile关键字

前言：volatile可以说是JVM提供的最轻量级的同步机制，人们常说volatile保证变量的可见性和禁止重排序，那么怎么理解呢？应该从Java内存模型说起。

一、可见性

　　由于处理器和内存的运算速度存在较大差异，为了保证效率，现代计算机引入读写速度接近内存读取速度的高速缓存区，这样一来就有了内存一致性问题，为了解决这个问题，计算机又在高速缓存和主内存之间引入一层一致性协议。

　　Java内存模型没有直接使用计算机指定的寄存器和高速缓存，但是采用了同样的思路。如下图

 

　　Java规定所有变量都存储到主内存当中，这里不包括局部变量和方法参数（进程特有），所有变量的传递操作必须在线程、工作内存和主内存三者之间进行。

主内存和工作内存之间的协议，除此之外Java规定了8个原子操作，lock、unLock、read、load、use、assgin、stroe、write，这里把后六个操作两两合并，简单理解为Read（从主内存中读取传递给工作内存、赋值给工作内存）、Use（传递给执行线程、执行后赋值给工作内存）、Write（从工作内存中读取传递给主内存、写入主内存）。

　　但是多线程并发时，每个原子性操作之间可能有其他线程的操作插入，这时候使用volatile修饰变量可以保证两点：Use前Read，Use后立即Write。这样保证变量每次使用前用的都是最新的值，使用后立刻同步到主内存中，但是Use操作并不是原子性的，线程运算前变量是最新值，并不代表运算时为最新值，所以volatile只保证了工作内存和主内存读写时的一致性，即变量可见性。

二、禁止重排序

　　int i = 1;
　　int j = 2;

　　JVM进行编译时，会有一些指令重排的优化，如上面两行代码，它们的执行顺序不会改变结果，所以JVM在编译成字节码文件时，不一定保证这两行代码的执行顺序。在汇编层面，volatile的实现方式是在两行指令中间加了一个lock add0的空操作，相当于加了一层内存屏障，完成前面说的Store和Write操作，立即写入主内存。

 

　　volatile的应用在于在单例的经典实现DCL（Double Check Lock）双重检查锁中，使用volatile禁止重排序。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance != null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance != null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

public class SingletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
    }
}

　

　　下面Object o = new Object();的字节码指令　

　　NEW java/lang/Object
　　DUP
　　INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
　　ASTORE 2

　　那么一个对象的创建过程大致分为三步：分配内存地址，初始化变量，将内存地址赋值给变量，但是第二步和第三步之的执行排序并不影响执行结果，所以有可能发生重排序。

　　所以当instance = new Singleton();发生指令重排时，如果此时一个线程执行完上述的第三步，还没执行第二步，那么其他线程进来通过 getInstance方法，就有可能获得一个变量没有初始化的对象，导致运行结果错误。volatile禁止重排序就解决了上述问题。

总结：volatile保证了变量在工作内存使用前和使用后和主内存中的一致性问题，但没有保证使用过程中的原子性，所以还是有线程不安全的问题，这就是volatile作为轻量级同步机制的可见性。为了实现可见性，volatile修饰的变量在编译成二进制时，会在运算赋值后，加入一层内存屏障（lock add0），这个指令同时保证了指令不会重排序。