Volatile：JVM 我警告你，我的人你別亂動
Volatile 算是一個面試中的高頻問題了。我們都知道 Volatile 有兩個作用：
- 禁止指令重排
- 保證內(nèi)存可見
指令重排序
指令重排序的問題，基本上都是通過 DCL 問題來考察。
DCL，Double Check Look
面試中通常會是下面這種情景：
面試官：用過單例嗎？
你：用過。
面試官：如何實現(xiàn)一個線程安全的懶漢式單例
你：DCL。
面試官：DCL 可以保證線程絕對安全嗎？
你：加 Volatile。
面試官滿意的點點頭。通常情況下，面試中這個問題聊到這里也就結(jié)束了。
但這個問題，還有一些可挖掘的內(nèi)容。我們順著單例的代碼繼續(xù)往下挖：
public class Singleton { private static volatile Singleton instance = null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; }}
如果不加 Volatile，會有什么問題呢？問題就出現(xiàn)在下面這行代碼：
instance = new Singleton();
上面這行代碼看起來也平平無奇呀，就是一個賦值操作，還能整什么幺蛾子呢？我們只寫了一行代碼，但 JVM 則需要做好幾步操作。那 JVM 究竟干了啥呢？大概也許可能差不多就是把大象給放冰箱里了。
Java 代碼中的一條賦值語句，到了 JVM 指令層面大概分三步：
- 分配一塊內(nèi)存空間
- 初始化
- 返回內(nèi)存地址
下面通過字節(jié)碼來一探究竟，為了簡化問題，我們替換成下面的代碼：
Object o = new Object();
編譯以后，通過 javap -v 命令，或者 IDEA 中的 JClassLib 插件可以看到如下圖所示的內(nèi)容：
通過上面的字節(jié)碼信息，可以更加清楚的看到上面提到的那三個步驟：
- new 用來分配一塊內(nèi)存空間
- invokspecial 調(diào)用了 Object 的 init() 方法，做了初始化
- astore_1 就是將 o 指向了 Object 實例對象的內(nèi)存地址，完成賦值
dup 指令會做一些入棧操作，跟我們要討論的問題關(guān)系不大，這里可以先忽略。
到這里，問題就比較明了了。重排的問題會發(fā)生在第 2 和 3 步。因為先初始化還是先把對象的內(nèi)存地址賦值給 o，并沒有必然的前后制約關(guān)系。因此，這類的指令在某些情況下會被重排序。
單線程下，這種重排序完全沒有問題。但是多線程的場景下，就有可能出問題：A 線程進入到 instance = new Singleton(); 后，由于指令重排，在 init 之前，將地址給了 o。此時 B 線程來了，發(fā)現(xiàn) instance 不為 null，于是直接拿去用了，然而此時 instance 并沒有初始化，只是個半成品。所以，當(dāng) B 拿到 instance 進行操作的時候就會出現(xiàn)問題了。
因此，instance 需要使用 volatile 來修飾，從而禁止進行指令重排。
到這里，你可能要說了，我用單例不加 volatile，這么長時間了也沒遇到你說的重排序問題。你怎么證明「重排序」的存在呢？好問題，下面咱們通過一個小例子來驗證一下重排序是否真的存在。
private static int x = 0;private static int y = 0;private static int a = 0;private static int b = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int i = 0; while (true) { i++; x = 0; y = 0; a = 0; b = 0; Thread one = new Thread(() -> { a = 1; x = b; }); Thread two = new Thread(() -> { b = 1; y = a; }); one.start(); two.start(); one.join(); two.join(); if(x == 0 && y == 0) { log.info("第 {} 次，x = {}, y = {}", i, x, y); break; } }}
代碼很簡單，就是幾個賦值操作，但卻很巧妙。x、y、a、b 初始都為 0，兩個線程分別給 a、x 和 b、y 賦值，線程 one 先讓 a = 1，然后再讓 x = b；two 線程先讓 b = 1，然后再讓 y = a。
假如不發(fā)生重排序，那么以上程序只會有下面六種可能：
每一列，從上到下代表代碼執(zhí)行的順序。
也就是說，在沒有重排序的情況下，不可能出現(xiàn) x、y 同時為 0 的情況。而如果 x、y 同時為 0 了，那么一定是出現(xiàn)了下面六種情況中的一種，既發(fā)生了重排。
每一列，從上到下代表代碼執(zhí)行的順序。
運行程序，經(jīng)過漫長的等待，得到了如下的輸出：
可以看到，在執(zhí)行了五十多萬次以后，我們終于捕捉到了一次重排序。發(fā)生這種情況的幾率很低，所以你就算沒有用 volatile 大概率不會有問題，但我們在今后還是要合理的使用 volatile。
內(nèi)存可見性
聊完指令重排，接下來聊聊內(nèi)存可見。這次我們直接上代碼：
private static boolean flag = true;private static void justRun() { System.out.println("Thread One Start"); while (flag) {} System.out.println("Thread One End");}public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new Thread(() -> justRun(), "Thread One").start(); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); flag = false;}
代碼很簡單，主線程內(nèi)開啟一個子線程，子線程中一個 while 循環(huán)，當(dāng) flag 為 false 時，結(jié)束循環(huán)。flag 初始值為 true，一秒鐘后，被主線程設(shè)置為 false。
按照上面這個邏輯，子線程應(yīng)該會在程序啟動一秒后停止。然而，當(dāng)你運行程序后會發(fā)現(xiàn)，這個程序就像吃了炫邁一樣，根本停不下來。
這說明主線程對 flag 的修改，子線程并沒有感知到。我們修改一下程序：
private static volatile boolean flag = true;
為 flag 加上 volatile 修飾符，再次運行，你會發(fā)現(xiàn)程序運行后，很快（大概一秒鐘）就停止了。這是為啥？是炫邁的藥勁兒過了嗎？
哈哈，當(dāng)然不是。為了更好的性能，線程都有自己的緩存（CPU 中的高速緩存），我們稱之為工作內(nèi)存或者本地內(nèi)存。還有一塊公共內(nèi)存，我們叫它主從吧。它們的結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：
主存中定義了一個 flag 變量，每個線程讀取它的時候，為了更好的性能會在線程本地緩存一份它的副本。讀取的時候也是優(yōu)先讀取本地副本的值。當(dāng) flag 被 volatile 修飾后，每次被修改，都會讓其他線程中的副本失效，從而必須去主存中讀取最新的值。所以，在使用了 volatile 后，子線程能夠立即感知到 flag 的變化，從而停止。
上圖簡化了線程（CPU）的緩存結(jié)構(gòu)，其完整結(jié)構(gòu)如下圖所示：
現(xiàn)代 CPU 共有三級緩存，分別為：L1、L2 和 L3。CPU 中的每個核心都有自己的 L1 和 L2，而一顆 CPU 中的多個核心會共享 L3。
總結(jié)
Volatile 的意思是，易變的，動蕩不定的，反復(fù)無常的。volatile 的作用就是告訴 JVM，被我修飾的變量它非常善變，你要給我盯好了，一旦有風(fēng)吹草動要立馬通知大家；另外，你不要自作聰明的調(diào)整它的位置（為了性能重排序），它可是說翻臉就翻臉的主兒。
最后，留一個小問題：內(nèi)存可見性的那個程序中，就算 flag 沒有被 volatile 修飾，線程頂多不是第一時間讀到 flag 的修改，但也不應(yīng)該一直讀不到呀，這是為啥？這太反直覺了！
