volatile關鍵字及其作用

概述：本文主要介紹Java語言中的volatile關鍵字，內容涵蓋volatile的保證內存可見性、禁止指令重排等。

1 保證內存可見性

1.1 基本概念

  可見性是指線程之間的可見性，一個線程修改的狀態對另一個線程是可見的。也就是一個線程修改的結果，另一個線程馬上就能看到。

1.2 實現原理

  當對非volatile變量進行讀寫的時候，每個線程先從主內存拷貝變量到CPU緩存中，如果計算機有多個CPU，每個線程可能在不同的CPU上被處理，這意味着每個線程可以拷貝到不同的CPU cache中。
  volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，保證了每次讀寫變量都從主內存中讀，跳過CPU cache這一步。當一個線程修改了這個變量的值，新值對於其他線程是立即得知的。

2 禁止指令重排

2.1 基本概念

  指令重排序是JVM爲了優化指令、提高程序運行效率，在不影響單線程程序執行結果的前提下，儘可能地提高並行度。指令重排序包括編譯器重排序和運行時重排序。
  在JDK1.5之後，可以使用volatile變量禁止指令重排序。針對volatile修飾的變量，在讀寫操作指令前後會插入內存屏障，指令重排序時不能把後面的指令重排序到內存屏

示例說明：
double r = 2.1; //(1) 
double pi = 3.14;//(2) 
double area = pi*r*r;//(3)

  雖然代碼語句的定義順序爲1->2->3，但是計算順序1->2->3與2->1->3對結果並無影響，所以編譯時和運行時可以根據需要對1、2語句進行重排序。

2.2 指令重排帶來的問題

如果一個操作不是原子的，就會給JVM留下重排的機會。

線程A中
{
    context = loadContext();
    inited = true;
}

線程B中
{
    if (inited) 
        fun(context);
}

  如果線程A中的指令發生了重排序，那麼B中很可能就會拿到一個尚未初始化或尚未初始化完成的context,從而引發程序錯誤。

2.3 禁止指令重排的原理

  volatile關鍵字提供內存屏障的方式來防止指令被重排，編譯器在生成字節碼文件時，會在指令序列中插入內存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

  JVM內存屏障插入策略：

1. 每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障；
2. 在每個volatile寫操作的後面插入一個StoreLoad屏障；
3. 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadLoad屏障；
4. 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadStore屏障。

2.4 指令重排在雙重鎖定單例模式中的影響

基於雙重檢驗的單例模式(懶漢型)

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;
    }
}

instance= new Singleton()並不是一個原子操作，其實際上可以抽象爲下面幾條JVM指令：

memory =allocate();    //1：分配對象的內存空間 
ctorInstance(memory);  //2：初始化對象 
instance =memory;     //3：設置instance指向剛分配的內存地址

上面操作2依賴於操作1，但是操作3並不依賴於操作2。所以JVM是可以針對它們進行指令的優化重排序的，經過重排序後如下：

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

  指令重排之後，instance指向分配好的內存放在了前面，而這段內存的初始化被排在了後面。在線程A執行這段賦值語句，在初始化分配對象之前就已經將其賦值給instance引用，恰好另一個線程進入方法判斷instance引用不爲null，然後就將其返回使用，導致出錯。

解決辦法
  用volatile關鍵字修飾instance變量，使得instance在讀、寫操作前後都會插入內存屏障，避免重排序。

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;
    }
}

3 適用場景

（1）volatile是輕量級同步機制。在訪問volatile變量時不會執行加鎖操作，因此也就不會使執行線程阻塞，是一種比synchronized關鍵字更輕量級的同步機制。
（2）volatile**無法同時保證內存可見性和原子性。加鎖機制既可以確保可見性又可以確保原子性，而volatile變量只能確保可見性**。
（3）volatile不能修飾寫入操作依賴當前值的變量。聲明爲volatile的簡單變量如果當前值與該變量以前的值相關，那麼volatile關鍵字不起作用，也就是說如下的表達式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
（4）當要訪問的變量已在synchronized代碼塊中，或者爲常量時，沒必要使用volatile；
（5）volatile屏蔽掉了JVM中必要的代碼優化，所以在效率上比較低，因此一定在必要時才使用此關鍵字。