Java并发编程——volatile关键字
作者：莫斐铭
一、volatile是什么
volatile是Java并发编程中重要的一个关键字，被比喻为“轻量级的synchronized”，与synchronized不同的是，volatile只能修饰变量，无法修饰方法及代码块等。
下面是使用volatile关键字实现的单例模式：
public class Singleton implements Serializable {
private static volatile Singleton singleton;
private Singleton() {}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton==null) { // 1
synchronized (Singleton.class) { // 2
if (singleton==null) { // 3
singleton = new Singleton();// 4
}
}
}
return singleton;
}
private Object readResolve() { //防止序列化破坏单例模式
return singleton;
}
}
1.单例为什么使用volatile关键字？
首先要理解new Singleton()做了什么。1.看class对象是否加载，如果没有就进行类的加载、解析和初始化；2.虚拟机分配内存空间，初始化实例，3.调用构造函数，4.返回地址给引用。而cpu为了优化程序，可能会进行指令重排序，导致实例内存还没分配，就被使用了。
假设有两个线程A和B，线程A执行到new Singleton()，开始初始化实例对象，由于存在指令重排序，这次new操作，先把引用赋值了，还没有执行构造函数（没有真正执行完）。这时时间片结束了，切换到线程B执行，线程B调用new Singleton()方法，发现引用不等于null，就直接返回引用地址了，然后线程B执行了一些操作，就可能导致线程B使用了还没被初始化的变量。
2.单例模式中步骤1、2、3、4存在的意义何在？
首先，步骤2、3是保证单例。假设线程A和B都执行到了步骤2，线程A拿到了锁，执行步骤3，如果此时没有创建实例，线程A会执行new创建实例，然后线程A释放锁，线程B拿到锁，首先执行步骤3，发现已经创建了实例，直接返回。加锁是比较消耗资源的，步骤1就是为了减少资源的消耗。
二、volatile的特性
1.禁止指令重排序
指令重排序是JVM为了优化指令、提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。
volatile关键字提供内存屏障的方式来防止指令被重排，编译器在生成字节码文件时，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。
JVM内存屏障插入策略：
- 每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，Store1;StoreStore;Store2，在Store2及后续的写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其他处理器可见，保证了有序性和可见性；
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障，Store1;StoreLoad;Load2，在Load2及后续的读取操作执行前，保证Store1的写入操作对其他处理器可见，它的开销是最大的，兼具其他三种的作用，保证了有序性和可见性；
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障，Load1;LoadLoad;Load2，在Load2及后续的读取操作执行前，保证Load1读取的数据已经读取完毕；
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障，Load1;LoadStore;Store2，在Store2及后续的写入操作执行前，保证Load1读取的数据已经读取完毕。
2.保证内存可见性
可见性是指对volatile变量的读总能获取其他任意线程对volatile变量的最后的写。
可见性的实现基于volatile读写的内存语义：
- volatile写的内存语义：当写入一个volatile变量时，JVM将线程工作内存中的变量值刷新到主内存中；
- volatile读的内存语义：当读取一个volatile变量时，JVM首先将改工作内存中的变量设置为无效，重新从主内存中获取最新的有效值。
三、使用场景
（1）volatile是轻量级同步机制。与synchronized的区别是volatile只能保证有序性和可见性，不能保证原子性。
（2）volatile不能修饰写入操作依赖当前值的变量。声明为volatile的简单变量如果当前值与该变量以前的值相关，那么volatile关键字不起作用，也就是说如下的表达式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
（3）当要访问的变量已在synchronized代码块中，或为常量时，没必要使用volatile；
（4）volatile保证了有序性，屏蔽掉了JVM中必要的代码优化，所以在效率上比较低，因此一定在必要时才使用此关键字。
（5）在以下两个场景中可以使用volatile来代替synchronized：
- 运算结果不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程会修改变量的值。
- 变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。
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