關(guān)于 Java 關(guān)鍵字 volatile 的總結(jié)

1 什么是 volatile

volatile 是 Java 的一個(gè)關(guān)鍵字，它提供了一種輕量級(jí)的同步機(jī)制。相比于重量級(jí)鎖 synchronized，volatile 更為輕量級(jí)，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。

2 volatile 的兩個(gè)作用

1. 可以禁止指令的重排序優(yōu)化
2. 提供多線程訪問共享變量的內(nèi)存可見性

3 禁止指令重排

3.1 什么是指令重排

指令重排序是 JVM 為了優(yōu)化指令，提高程序運(yùn)行效率，在不影響單線程程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高并行度，例如將多條指令并行執(zhí)行或者是調(diào)整指令的執(zhí)行順序。但是在多線程的情況下，指令重排序可能會(huì)帶來問題，例如程序執(zhí)行的順序可能會(huì)被調(diào)整。在加上 volatile 關(guān)鍵字之后可以有效解決這個(gè)問題。

下面我們舉個(gè)例子：

double r = 2.1; //(1) 
double pi = 3.14;//(2) 
double area = pi*r*r;//(3)

在代碼語句的順序?yàn)?1->2->3，但實(shí)際上順序無論是 1->2->3 還是 2->1->3 對(duì)結(jié)果并無影響，所以在編譯時(shí)和運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)1、2語句進(jìn)行重排序。

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行排序的一種手段。重排序需要遵守一定規(guī)則：
1 不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作進(jìn)行重排序
2 重排序是為了優(yōu)化性能，但是不管怎么重排序，單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變

3.2 指令重排帶來的問題

我們來看看這個(gè)基于雙重檢驗(yàn)的單例模式：

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();// 非原子操作
            }
        }

        return instance;
    }
}

事實(shí)上，這個(gè)單例模式的實(shí)現(xiàn)方式是有問題的，問題在哪呢？問題在于instance = new Singleton3();?并不是一個(gè)原子操作。

我們可以將其抽象成以下幾條指令：

memory =allocate();     //1：分配對(duì)象的內(nèi)存空間 
ctorInstance(memory);   //2：初始化對(duì)象 
instance =memory;       //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址

可以看到，操作2依賴于操作1，但操作3并不依賴于操作2。所以 JVM 是可以針對(duì)它們進(jìn)行指令的優(yōu)化重排序的，經(jīng)過重排序后如下：

memory =allocate();    //1：分配對(duì)象的內(nèi)存空間 
instance =memory;      //3：instance指向剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)對(duì)象還未初始化
ctorInstance(memory);  //2：初始化對(duì)象

指令重排之后，instance 指向分配好的內(nèi)存放在了前面，而這段內(nèi)存的初始化被排在了后面。在線程A執(zhí)行這段賦值語句，在初始化分配對(duì)象之前就已經(jīng)將其賦值給 instance 引用，恰好另一個(gè)線程進(jìn)入方法判斷 instance 引用不為 null，然后就將其返回使用，導(dǎo)致出錯(cuò)。

3.3 禁止指令重排的原理

volatile 關(guān)鍵字提供內(nèi)存屏障的方式來防止指令被重排，編譯器在生成字節(jié)碼文件時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

內(nèi)存屏障會(huì)確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成。

對(duì)于上面的基于雙重檢驗(yàn)的單例模式，我們只需對(duì)其稍作修改即可令其正確運(yùn)行。我們已經(jīng)知道，問題來自于指令重排，那么我們禁止指令重排即可，用 volatile 關(guān)鍵字修飾 instance 變量，使得 instance 在讀、寫操作前后都會(huì)插入內(nèi)存屏障，避免重排序。完整代碼如下：

public class Singleton3 {
    private static volatile Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();
            }
        }
        return instance;
    }
}

4 保證內(nèi)存可見性

4.1 什么是保證內(nèi)存可見性

Java 支持多個(gè)線程同時(shí)訪問一個(gè)對(duì)象或者對(duì)象的成員變量，由于每個(gè)線程可以擁有這個(gè)變量的拷貝（雖然對(duì)象以及成員變量分配的內(nèi)存是在共享內(nèi)存中的，但是每個(gè)執(zhí)行的線程還是可以擁有一份拷貝，這樣做的目的是加速程序的執(zhí)行，這是現(xiàn)代多核處理器的一個(gè)顯著特性），所以程序在執(zhí)行過程中，一個(gè)線程看到的變量并不一定是最新的。volatile 告知程序任何對(duì)該變量的訪問均需要從共享內(nèi)存中獲取，而對(duì)它的改變必須同步刷新回共享內(nèi)存，它能保證所有線程對(duì)變量訪問的可見性。

4.2 實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)

如果對(duì)聲明了 volatile 的變量進(jìn)行寫操作，JVM 就會(huì)向處理器發(fā)送一條 Lock 前綴的指令，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存。

但是，就算寫回到內(nèi)存，如果其他處理器緩存的值還是舊的，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問題。所以，在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無效狀態(tài)，當(dāng)處理器對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候，會(huì)重新從系統(tǒng)內(nèi)存中把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里。

具體的說，內(nèi)存可見性也是通過內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)的，它會(huì)執(zhí)行下面兩個(gè)操作：

1. 強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存
2. 如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他 CPU 中對(duì)應(yīng)的緩存行無效

5 總結(jié)

1. volatile 提供了一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，在訪問 volatile 變量時(shí)不會(huì)執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會(huì)使執(zhí)行線程阻塞
2. volatile 只能確?？梢娦裕渔i機(jī)制既可以確?？梢娦杂挚梢源_保原子性
3. volatile 屏蔽掉了 JVM 中必要的代碼優(yōu)化，所以在效率上比較低
4. 相比 synchronized，雖然 volatile 更簡(jiǎn)單并且開銷更低，但它的同步性較差，而且其使用也更容易出錯(cuò)