前言

在Java相關(guān)的崗位面試中尿背，很多面試官都喜歡考察面試者對(duì)Java并發(fā)的了解程度茅诱，而以volatile關(guān)鍵字作為一個(gè)小的切入點(diǎn)邑闺，往往可以一問到底季俩，把Java內(nèi)存模型（ JMM）栅组，Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來雀瓢，深入地話還可以考察 JVM底層實(shí)現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。下面我們以一次假想的面試過程玉掸，來深入了解下volitile關(guān)鍵字刃麸！

就我理解的而言司浪，被 volatile修飾的共享變量泊业，具有了以下兩點(diǎn)特性：

• 保證了不同線程對(duì)該變量操作的內(nèi)存可見性;
• 禁止指令重排序

在Java保證多線程運(yùn)行安全吁伺，主要就是圍繞著如何在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性這3個(gè)特征來建立的租谈，通過解決這三個(gè)問題篮奄，可以解除緩存不一致的問題。

• 原子性：提供互斥訪問割去，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作窟却；
• 可見性：一個(gè)線程對(duì)主內(nèi)存的修改可以及時(shí)地被其他線程看到；
• 有序性：線程執(zhí)行代碼的順序是按照指令的先后順序執(zhí)行的劫拗。

而 volatile跟可見性和有序性都有關(guān)间校。

注意：volatile關(guān)鍵字無法保證原子性。

• 原子性（Atomicity）

原子性指的是一個(gè)或者多個(gè)操作在 CPU 執(zhí)行的過程中不被中斷的特性

Java 并發(fā)程序都是基于多線程的憔足，操作系統(tǒng)為了充分利用CPU的資源，將CPU分成若干個(gè)時(shí)間片酒繁，在多線程環(huán)境下滓彰，線程會(huì)被操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)行任務(wù)切換。

為了直觀的了解什么是原子性州袒，我們看下下面哪些操作是原子性操作

int count = 0;  //1
count++;  //2
int i = count;  //3

上面展示語句中揭绑，除了語句1是原子操作，其它兩個(gè)語句都不是原子性操作，下面我們來分析一下語句2
其實(shí)語句2在執(zhí)行的時(shí)候他匪，包含三個(gè)指令操作

• 指令 1：首先菇存，需要把變量 count 從內(nèi)存加載到 CPU的寄存器
• 指令 2：之后，在寄存器中執(zhí)行 +1 操作邦蜜；
• 指令 3：最后依鸥，將結(jié)果寫入內(nèi)存

對(duì)于上面的三條指令來說，如果線程 A 在指令 1 執(zhí)行完后做線程切換悼沈，線程 A 和線程 B 按照下圖的序列執(zhí)行贱迟，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線程都執(zhí)行了 count+=1 的操作，但是得到的結(jié)果不是我們期望的 2絮供，而是 1衣吠。

操作系統(tǒng)做任務(wù)切換，可能發(fā)生在任何一條CPU 指令執(zhí)行完時(shí)

• 有序性（Ordering）

有序性指的是程序按照代碼的先后順序執(zhí)行

為了性能優(yōu)化壤靶，編譯器和處理器會(huì)進(jìn)行指令重排序缚俏，有時(shí)候會(huì)改變程序中語句的先后順序，比如程序：

      a = 5;      //1
      b = 20;     //2
      c = a + b;  //3

編譯器優(yōu)化后可能變成：

       b = 20;     //1
       a = 5;      //2
       c = a + b;  //3

在這個(gè)例子中萍肆，編譯器調(diào)整了語句的順序袍榆，但是不影響程序的最終結(jié)果

synchronized（具有有序性、原子性塘揣、可見性）表示鎖在同一時(shí)刻只能由一個(gè)線程進(jìn)行獲取包雀，當(dāng)鎖被占用后，其他線程只能等待亲铡。

在單例模式的實(shí)現(xiàn)上有一種雙重檢驗(yàn)鎖的方式

public class Singleton {

   private static volatile Singleton uniqueSingleton;

   private Singleton() {}

   public static Singleton getUniqueSingleton(){
       //先判斷對(duì)象是否已經(jīng)實(shí)例過才写，沒有實(shí)例化過才進(jìn)入加鎖代碼
       if (uniqueSingleton == null){
           //對(duì)Singleton對(duì)象加鎖
           synchronized (Singleton.class){
               if (uniqueSingleton ==null){
                   uniqueSingleton = new Singleton();
               }
           }
       }
       
       return uniqueSingleton;
   }
   
}

我們先看instance=newSingleton()的未被編譯器優(yōu)化的操作

• 指令 1：分配一塊內(nèi)存 M；
• 指令 2：在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton對(duì)象奖蔓；
• 指令 3：然后 M 的地址賦值給 instance 變量赞草。

編譯器優(yōu)化后的操作指令

• 指令 1：分配一塊內(nèi)存 M；
• 指令 2：將 M 的地址賦值給 instance 變量吆鹤；
• 指令 3：然后在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton 對(duì)象厨疙。

現(xiàn)在有A，B兩個(gè)線程疑务，我們假設(shè)線程A先執(zhí)行getInstance()方法沾凄，當(dāng)執(zhí)行編譯器優(yōu)化后的操作指令2時(shí)（此時(shí)候未完成對(duì)象的初始化），這時(shí)候發(fā)生了線程切換知允，那么線程B進(jìn)入撒蟀，剛好執(zhí)行到第一次判斷 instance==null會(huì)發(fā)現(xiàn)instance不等于null了，所以直接返回instance温鸽，而此時(shí)的instance是沒有初始化過的保屯。

3. 可見性（Visibility）

可見性指的是當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量后，其他線程能夠立即感知修改后的值。

首先我們來看一下Java內(nèi)存模型（JMM）

• 我們定義的所有變量都儲(chǔ)存在主內(nèi)存中
• 每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的工作內(nèi)存姑尺，里面保存該線程使用到的變量的副本（主內(nèi)存中該變量的一份拷貝）
• 線程對(duì)共享變量所有的操作都必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行竟终，不能直接從主內(nèi)存中讀寫（不能越級(jí)）
• 不同線程之間也無法直接訪問其他線程的工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞需要通過主內(nèi)存來進(jìn)行切蟋。（同級(jí)不能相互訪問）

共享變量可見性的實(shí)現(xiàn)原理：

線程1對(duì)共享變量的修改要被線程2及時(shí)看到的話衡楞，要經(jīng)過如下步驟：

1. 線程1把工作內(nèi)存1中更新的變量值刷新到主內(nèi)存
2. 線程2把主內(nèi)存中的變量的值更新到工作內(nèi)存2中

1. 狀態(tài)量標(biāo)記，比在COW機(jī)制中volatile Object[] array歧杏、AQS中的volatile int state變量镰惦；這種對(duì)變量的讀寫操作，標(biāo)記為volatile可以保證修改對(duì)線程立刻可見犬绒。比 synchronized,Lock有一定的效率提升旺入。

2. 雙重校驗(yàn)鎖實(shí)現(xiàn)單例模式

public class Singleton {

    private static volatile Singleton uniqueSingleton;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getUniqueSingleton(){
        //先判斷對(duì)象是否已經(jīng)實(shí)例過，沒有實(shí)例化過才進(jìn)入加鎖代碼
        if (uniqueSingleton == null){
            //對(duì)Singleton對(duì)象加鎖
            synchronized (Singleton.class){
                if (uniqueSingleton ==null){
                    uniqueSingleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        
        return uniqueSingleton;
    }
    
}

注意凯力，重點(diǎn)來了： uniqueInstance 采用 volatile關(guān)鍵字修飾也是很有必要茵瘾。
uniqueInstance 采用 volatile關(guān)鍵字修飾也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton();這段代碼其實(shí)是分
為三步執(zhí)行：

1. 為uniqueInstance分配內(nèi)存空間
2. 初始化uniqueInstance
3. 將 uniqueInstance指向分配的內(nèi)存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性咐鹤，執(zhí)行順序有可能變成 1->3->2拗秘。指令重排在單線程環(huán)境下不會(huì)出先問題，但是在多線程環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程獲得還沒有初始化的實(shí)例祈惶。例如雕旨，線程 T1 執(zhí)行了 1 和 3，此時(shí) T2 調(diào)用getUniqueInstance() 后發(fā)現(xiàn)uniqueInstance 不為空捧请，因此返回 uniqueInstance凡涩，但此時(shí) uniqueInstance 還未被初始化。

這里使用的就是volatile 可以禁止 JVM 的指令重排疹蛉，保證在多線程環(huán)境下也能正常運(yùn)行活箕。