前言
在Java相關(guān)的崗位面試中，很多面試官都喜歡考察面試者對Java并發(fā)的了解程度，而以volatile關(guān)鍵字作為一個小的切入點，往往可以一問到底，把Java內(nèi)存模型（ JMM），Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來，深入地話還可以考察 JVM底層實現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識。下面我們以一次假想的面試過程，來深入了解下volitile關(guān)鍵字！
就我理解的而言，被 volatile修飾的共享變量，具有了以下兩點特性：
- 保證了不同線程對該變量操作的內(nèi)存可見性;
- 禁止指令重排序
在Java保證多線程運(yùn)行安全，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個特征來建立的，通過解決這三個問題，可以解除緩存不一致的問題。
- 原子性：提供互斥訪問，同一時刻只能有一個線程對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；
- 可見性：一個線程對主內(nèi)存的修改可以及時地被其他線程看到；
- 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。
而 volatile跟可見性和有序性都有關(guān)。
注意：volatile關(guān)鍵字無法保證原子性。
- 原子性（Atomicity）
原子性指的是一個或者多個操作在 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，操作系統(tǒng)為了充分利用CPU的資源，將CPU分成若干個時間片，在多線程環(huán)境下，線程會被操作系統(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，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，除了語句1是原子操作，其它兩個語句都不是原子性操作，下面我們來分析一下語句2
其實語句2在執(zhí)行的時候，包含三個指令操作
- 指令 1：首先，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；
- 指令 3：最后，將結(jié)果寫入內(nèi)存
對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，線程 A 和線程 B 按照下圖的序列執(zhí)行，那么我們會發(fā)現(xiàn)兩個線程都執(zhí)行了 count+=1 的操作，但是得到的結(jié)果不是我們期望的 2，而是 1。
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
- 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，編譯器和處理器會進(jìn)行指令重排序，有時候會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在這個例子中，編譯器調(diào)整了語句的順序，但是不影響程序的最終結(jié)果
synchronized（具有有序性、原子性、可見性）表示鎖在同一時刻只能由一個線程進(jìn)行獲取，當(dāng)鎖被占用后，其他線程只能等待。在單例模式的實現(xiàn)上有一種雙重檢驗鎖的方式
public class Singleton { private static volatile Singleton uniqueSingleton; private Singleton() {} public static Singleton getUniqueSingleton(){ //先判斷對象是否已經(jīng)實例過，沒有實例化過才進(jìn)入加鎖代碼 if (uniqueSingleton == null){ //對Singleton對象加鎖 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對象；- 指令 3：然后 M 的地址賦值給
instance變量。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；- 指令 3：然后在內(nèi)存 M 上初始化
Singleton對象。現(xiàn)在有A，B兩個線程，我們假設(shè)線程A先執(zhí)行
getInstance()方法，當(dāng)執(zhí)行編譯器優(yōu)化后的操作指令2時（此時候未完成對象的初始化），這時候發(fā)生了線程切換，那么線程B進(jìn)入，剛好執(zhí)行到第一次判斷instance==null會發(fā)現(xiàn)instance不等于null了，所以直接返回instance，而此時的instance是沒有初始化過的。
- 可見性（Visibility）
可見性指的是當(dāng)一個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存在主內(nèi)存中
- 每個線程都有自己獨(dú)立的工作內(nèi)存，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，不能直接從主內(nèi)存中讀寫（不能越級）
- 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。（同級不能相互訪問）
共享變量可見性的實現(xiàn)原理：
線程1對共享變量的修改要被線程2及時看到的話，要經(jīng)過如下步驟：
- 線程1把工作內(nèi)存1中更新的變量值刷新到主內(nèi)存
- 線程2把主內(nèi)存中的變量的值更新到工作內(nèi)存2中
狀態(tài)量標(biāo)記，比在COW機(jī)制中
volatile Object[] array、AQS中的volatile int state變量；這種對變量的讀寫操作，標(biāo)記為volatile可以保證修改對線程立刻可見。比synchronized,Lock有一定的效率提升。雙重校驗鎖實現(xiàn)單例模式
public class Singleton {
private static volatile Singleton uniqueSingleton;
private Singleton() {}
public static Singleton getUniqueSingleton(){
//先判斷對象是否已經(jīng)實例過，沒有實例化過才進(jìn)入加鎖代碼
if (uniqueSingleton == null){
//對Singleton對象加鎖
synchronized (Singleton.class){
if (uniqueSingleton ==null){
uniqueSingleton = new Singleton();
}
}
}
return uniqueSingleton;
}
}
注意，重點來了： uniqueInstance 采用 volatile關(guān)鍵字修飾也是很有必要。
uniqueInstance 采用 volatile關(guān)鍵字修飾也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton();這段代碼其實是分
為三步執(zhí)行：
- 為
uniqueInstance分配內(nèi)存空間 - 初始化
uniqueInstance - 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，執(zhí)行順序有可能變成 1->3->2。指令重排在單線程環(huán)境下不會出先問題，但是在多線程環(huán)境下會導(dǎo)致一個線程獲得還沒有初始化的實例。例如，線程 T1 執(zhí)行了 1 和 3，此時 T2 調(diào)用getUniqueInstance() 后發(fā)現(xiàn)uniqueInstance 不為空，因此返回 uniqueInstance，但此時 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，保證在多線程環(huán)境下也能正常運(yùn)行。
