java中volatile聲明變量，有兩個(gè)作用
- 保證變量對所有線程的可見性
- 禁止指令重排
保證可見性
多線程訪問共享變量時(shí)，聲明volatile可以保證了共享變量可見性÷腹可見性，即當(dāng)一個(gè)線程修改共享變量時(shí)哪轿，另一個(gè)線程能讀到變量修改后的值盈魁。
沒有了解過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)低層實(shí)現(xiàn)的同學(xué)，可能會好奇窃诉，為什么會發(fā)生一個(gè)線程更新一個(gè)變量杨耙，另一線程讀到的是是更新前的值的情況赤套？
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為了提高處理速度按脚，CPU其實(shí)并不直接與內(nèi)存進(jìn)行通信于毙，而是將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取到CPU高速緩存（L1，L2辅搬，L3)中唯沮，操作完后也并不總是會馬上寫回內(nèi)存。只有當(dāng)緩存被置換出去的時(shí)候堪遂，才會去寫內(nèi)存介蛉。
多處理器環(huán)境下，保證緩存一致性溶褪，有兩種方式：總線鎖和MESI緩存一致性協(xié)議币旧。
總線鎖（bus locking):
當(dāng)一個(gè)CPU對緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的時(shí)候，會往總線中發(fā)送一個(gè)Lock信號猿妈。這個(gè)時(shí)候吹菱，所有CPU收到這個(gè)信號之后就不操作自己緩存中的對應(yīng)數(shù)據(jù)了，當(dāng)操作結(jié)束彭则，釋放鎖以后鳍刷，所有的CPU就去內(nèi)存中獲取最新數(shù)據(jù)更新。
總線鎖帶來的性能成本高昂俯抖，更多的計(jì)算機(jī)采用的是MESI緩存一致性協(xié)議输瓜。
MESI協(xié)議， 會在緩存中存儲一個(gè)標(biāo)志位芬萍。這個(gè)標(biāo)志位有以下四種狀態(tài)：
- M: Modify尤揣，修改緩存，當(dāng)前CPU的緩存已經(jīng)被修改了柬祠，即與內(nèi)存中數(shù)據(jù)已經(jīng)不一致了
- E: Exclusive北戏，獨(dú)占緩存，當(dāng)前CPU的緩存和內(nèi)存中數(shù)據(jù)保持一致瓶盛，而且其他處理器并沒有可使用的緩存數(shù)據(jù)
- S: Share最欠，共享緩存，和內(nèi)存保持一致的一份拷貝惩猫，多組緩存可以同時(shí)擁有針對同一內(nèi)存地址的共享緩存段
- I: Invalid，失效緩存蚜点，這個(gè)說明CPU中的緩存已經(jīng)不能使用了
每個(gè)CPU都會監(jiān)聽其他CPU對緩存的讀寫操作轧房。
- 當(dāng)監(jiān)聽到其他CPU有讀取操作，而自己的緩存處于M或E時(shí)绍绘，就將自己的緩存寫入內(nèi)存奶镶，并將自己狀態(tài)修改為S迟赃。 - 當(dāng)監(jiān)聽到其他CPU有寫入內(nèi)存操作，且緩存為S狀態(tài)厂镇，則將狀態(tài)職位I纤壁。
- 當(dāng)CPU的緩存狀態(tài)是I，CPU將從內(nèi)存中讀取捺信。
使用volatile聲明的變量酌媒，JVM會發(fā)送lock指令，將緩存寫回內(nèi)存迄靠。由于緩存一致性協(xié)議秒咨，寫回緩存的時(shí)候，其他處理器的緩存將失效掌挚。從而保證了該變量值得一致性雨席。
禁止指令重排
編譯器和處理器為了提升程序性能，會按照一定的規(guī)則進(jìn)行對指令進(jìn)行重排順序吠式。在單線程下陡厘，這樣的重排并不會帶來問題。因?yàn)橹嘏艜袷豠s-if-serial語義.
為了遵守as-if-serial語義特占，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序糙置，因?yàn)檫@種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。但是摩钙，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系罢低，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。例如：
double pi = 3.14; //A
double r = 1.0; //B
double area = pi * r * r; //C
C 依賴于A 和B胖笛，因此重排時(shí)C不會被重排到A和B之前网持。而A和B沒有依賴，重排也復(fù)合as-if-serial語義长踊，編譯器和處理器可以對其進(jìn)行重排功舀。
經(jīng)常提到的使用雙檢查鎖來創(chuàng)建singleton對象的問題，正是由于指令重排導(dǎo)致的身弊。
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()并非是一個(gè)原子操作辟汰，它有多條指令組成：
memory = allocate(); //1：分配對象的內(nèi)存空間
ctorInstance(memory); //2：初始化對象
instance = memory; //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址
但是經(jīng)過重排序后：
memory = allocate(); //1：分配對象的內(nèi)存空間
instance = memory; //3：設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址，此時(shí)對象還沒被初始化
ctorInstance(memory); //2：初始化對象
指令重排之后阱佛，instance指向分配好的內(nèi)存放在了前面帖汞，而這段內(nèi)存的初始化被排在了后面，在線程A初始化完成這段內(nèi)存之前凑术，線程B雖然進(jìn)不去同步代碼塊翩蘸，但是在同步代碼塊之前的判斷就會發(fā)現(xiàn)instance不為空，此時(shí)線程B獲得instance對象進(jìn)行使用就可能發(fā)生錯(cuò)誤淮逊。
使用volatile會插入內(nèi)存屏障指令催首，防止編譯和運(yùn)行時(shí)指令被重排扶踊。
