面试官: 有了解过volatile关键字吗 说说看

前言

目前正在出一个Java多线程专题长期系列教程，从入门到进阶含源码解读, 篇幅会较多, 喜欢的话，给个关注❤️ ~ 本篇内容纯理论一点

概念回顾

首先我们回顾一下之前讲的基本概念:

内存可见性

内存可见性，指的是线程之间的可见性，当一个线程修改了共享变量时，另一个线程可以读取到这个修改后的值。

重排序

为优化程序性能，对原有的指令执行顺序进行优化重新排序。重排序可能发生在多个阶段，比如编译重排序、CPU重排序等。

happens-before

遵循happens-before规则，JVM就能保证指令在多线程之间的顺序性符合执行的预期。

volatile

• 保证变量的内存可见性
• 禁止volatile变量与普通变量重排序

那么这个内存可见性过程是怎么样的呢❓之前也有给大家演示过具体代码，这里直接给大家总结一下:

所谓内存可见性, 当一个线程对volatile修饰的变量进行写操作时，会立即将本地内存中的共享变量刷新到主内存, 同理，当进行读操作时，会立即将本地内存失效，从主内存中读取共享变量的值。

在这一点上，volatile与锁具有相同的内存效果，volatile变量的写和锁的释放具有相同的内存语义，volatile变量的读和锁的获取具有相同的内存语义

禁止重排又是怎么回事呢❓

在JSR-133之前的旧的Java内存模型中，是允许volatile变量与普通变量重排序的。想想看，如果可重排，会发生什么？

我们假设有两个线程A和B,一个被volatile修饰的变量a，一个未被修饰的普通变量b，看下边代码:

volatile a = 1;
int b = 2;
public void writer() {
    a = 1; 
    b = 3;
}
public void reader() {
    if (a == 1) { 
        System.out.println(b);
    }
}
复制代码

线程A执行writer方法,首先将a设置为1，此时B线程操作reader方法,此时判断a=1,然后进行输出b=2，线程A多b操作设置为3,其实最终结果应该b=3才对，所以这里重排可能会导致普通变量读错的情况

为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制，JSR-133决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。那么它是怎么禁止的呢❓答案是通过内存屏障,或许你听说过这个概念,下面我们一起看一下~

内存屏障

什么是内存屏障呢？在计算机中，主要分为两种，一种是读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。内存屏障有两个作用：

• 阻止屏障两侧的指令重排序
  
• 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。(这里的缓存指的是cpu的多级缓存如L1,L2)

我们写的代码最终都是要通过编译器的，那么编译器是怎么实现这个过程的呢❓

编译器在生成字节码的时候，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。在Java中，JMM内存屏障插入策略可以保证各平台处理器下程序的volatile内存语义正确，具体策略:

• 在每个volatile写操作前插入一个写屏障；
• 在每个volatile写操作后插入一个写屏障；
• 在每个volatile读操作后插入一个读屏障；
• 在每个volatile读操作后再插入一个读屏障。

volatile与普通变量的重排序规则:

1. 如果第一个操作是volatile读，那无论第二个操作是什么，都不能重排序；
   
2. 如果第二个操作是volatile写，那无论第一个操作是什么，都不能重排序；
   
3. 如果第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读，那不能重排序。

那么如果第一个操作是普通变量读，第二个是volatile读，可以重排吗❓

答案: 可以的

volatile使用场景

相信在了解以上概念之后，对它应该有一定的认识了， volatile可以保证内存可见性且禁止重排序, 它跟锁又具有相同的内存语义，又被称为轻量级锁。volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁可以保证整个临界区代码的执行具有原子性。所以锁更高级一点。但也不是说volatile就不好，作为轻量级的锁，某些场景下还是非常有用的。

我们以双重锁检查单例模式为例,首先我们看一下普通的单例模式:

class Singleton {
    private static Singleton instance;
     private Singleton() {}
    public Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
复制代码

单线程下你可以这么搞，没毛病，多线程下就不行了，所有我们要加锁,于是双重锁检查下的实现:

class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
复制代码

这样就真没问题了吗疑问❓我们知道在new的时候，主要做了三件事:

• 分配内存
  
• 变量赋值
  
• 初始化对象

这个过程中，可能会导致指令重排，有可能你会说里边加锁了,上节给大家介绍顺序一致性模型中,我们讲过，在同步模式下临界区内的代码可以发生重排序，所以这里还是有可能发生重排序的，所以最终的这个过程，可能会这样:

线程A执行 分配内存 -> 变量赋值, 线程B执行 判断 instance不为null 开始访问对象，实际上对象还未初始化,所以这时候，我们就要加上volatile

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;
    }
}
复制代码

这样在多线程环境下，可以保证其安全性

结束语

本节内容可能不像之前那么好理解，比较抽象，所以本文也有不足的地方，大家自己可以多查查一些资料，综合理解, 不要去背概念。本节我们提到了锁的概念,下一节，带大家深入学习一下Java的synchronized与锁 ~