java并发中volatile的使用

java中volatile声明变量，有两个作用

• 保证变量对所有线程的可见性
• 禁止指令重排

保证可见性

多线程访问共享变量时，声明volatile可以保证了共享变量可见性。可见性，即当一个线程修改共享变量时，另一个线程能读到变量修改后的值。

没有了解过计算机系统低层实现的同学，可能会好奇，为什么会发生一个线程更新一个变量，另一线程读到的是是更新前的值的情况？

计算机系统，为了提高处理速度，CPU其实并不直接与内存进行通信，而是将内存中的数据读取到CPU高速缓存（L1，L2，L3)中，操作完后也并不总是会马上写回内存。只有当缓存被置换出去的时候，才会去写内存。

多处理器环境下，保证缓存一致性，有两种方式：总线锁和MESI缓存一致性协议。

总线锁（bus locking):
当一个CPU对缓存中的数据进行操作的时候，会往总线中发送一个Lock信号。这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。

总线锁带来的性能成本高昂，更多的计算机采用的是MESI缓存一致性协议。

MESI协议， 会在缓存中存储一个标志位。这个标志位有以下四种状态：

• M: Modify，修改缓存，当前CPU的缓存已经被修改了，即与内存中数据已经不一致了
• E: Exclusive，独占缓存，当前CPU的缓存和内存中数据保持一致，而且其他处理器并没有可使用的缓存数据
• S: Share，共享缓存，和内存保持一致的一份拷贝，多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段
• I: Invalid，失效缓存，这个说明CPU中的缓存已经不能使用了

每个CPU都会监听其他CPU对缓存的读写操作。

• 当监听到其他CPU有读取操作，而自己的缓存处于M或E时，就将自己的缓存写入内存，并将自己状态修改为S。 - 当监听到其他CPU有写入内存操作，且缓存为S状态，则将状态职位I。
• 当CPU的缓存状态是I，CPU将从内存中读取。

使用volatile声明的变量，JVM会发送lock指令，将缓存写回内存。由于缓存一致性协议，写回缓存的时候，其他处理器的缓存将失效。从而保证了该变量值得一致性。

禁止指令重排

编译器和处理器为了提升程序性能，会按照一定的规则进行对指令进行重排顺序。在单线程下，这样的重排并不会带来问题。因为重排会遵守as-if-serial语义.

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作可能被编译器和处理器重排序。例如：

double pi  = 3.14;    //A
double r   = 1.0;     //B
double area = pi * r * r; //C

C 依赖于A 和B，因此重排时C不会被重排到A和B之前。而A和B没有依赖，重排也复合as-if-serial语义，编译器和处理器可以对其进行重排。

经常提到的使用双检查锁来创建singleton对象的问题，正是由于指令重排导致的。

public class Singleton {

  private static Singleton instance = null;

  private Singleton() { }

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

new Singleton()并非是一个原子操作，它有多条指令组成：

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

但是经过重排序后：

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，此时对象还没被初始化
ctorInstance(memory); //2：初始化对象

指令重排之后，instance指向分配好的内存放在了前面，而这段内存的初始化被排在了后面，在线程A初始化完成这段内存之前，线程B虽然进不去同步代码块，但是在同步代码块之前的判断就会发现instance不为空，此时线程B获得instance对象进行使用就可能发生错误。

使用volatile会插入内存屏障指令，防止编译和运行时指令被重排。