Java并发：volatile关键字详解

概述

volatile关键字可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易完全被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯不去使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。了解volatile变量的语义对了解多线程操作的其他特性很有意义，在本文中我们将介绍volatile的语义到底是什么。由于volatile关键字与Java内存模型（Java Memory Model，JMM）有较多的关联，因此在介绍volatile关键字前我们会先介绍下Java内存模型。

1.内存模型的相关概念

“让计算机并发执行若干个运算任务”与“更充分地利用计算机处理器的效能”之间的因果关系，看起来顺理成章，实际上它们之间的关系并没有想象中的那么简单，其中一个重要的复杂性来源是绝大多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成，处理器至少要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果等，这个I/O操作是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），如下图所示。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及 Dragon Protocol等。在本文中将会多次提到的“内存模型”一词，可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且这里介绍的内存访问操作与硬件的缓存访问操作具有很高的可比性。

   处理器、高速缓存、主内存间的交互关系

除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

2.Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。

为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图所示。

线程、主内存、工作内存三者的交互关系

主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机（甚至是硬件系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

内存间交互操作

注：该部分内容可以作为了解简单的看一下，下面会介绍该部分内容的等效判断原则——先行发生规则（happens-before），先行发生规则更常问，并且更容易理解。

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，可以）。

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
• read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
• use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
•  一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
• 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分烦琐，实践起来很麻烦，所以在下文将介绍这种定义的一个等效判断原则——先行发生原则，用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

原子性、可见性与有序性

原子性（Atomicity）：一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

我们先来看看哪些是原子操作，哪些不是原子操作，先有一个直观的印象：

int k = 5;  //代码1
k++;        //代码2
int j = k;  //代码3
k = k + 1;  //代码4

上面这4个代码中只有代码1是原子操作。

代码2：包含了三个操作。1.读取变量k的值；2.将变量k的值加1；3.将计算后的值再赋值给变量k。

代码3：包含了两个操作。1.读取变量k的值；2.将变量k的值赋值给变量j。

代码4：包含了三个操作。1.读取变量k的值；2.将变量k的值加1；3.将计算后的值再赋值给变量k。

注：实际编译成字节码后，这些代码的字节码条数跟我上面的操作数可能有出入，但为了更容易理解，并且这些操作已经总体上能说明问题，因此使用这些操作来分析。

上面这个例子只是简单的分析了几种常见的情况。具体到底层的指令（上文内存间操作提到的8个指令），由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

可见性（Visibility）：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。

我们先看下以下的例子，对可见性有一个直观的印象：

// 线程A执行的代码
int k = 0; //1
k = 5;     //2
// 线程B执行的代码
int j = k; //3

上面这个例子，如果线程A先执行，然后线程B再执行，j的值是多少了？

答案是无法确定。因为即使线程A已经把k的值更新为5，但是这个操作是在线程A的工作内存中完成的，工作内存所更新的变量并不会立即同步回主内存，因此线程B从主内存中得到的变量k的值是不确定的。这就是可见性问题，线程A对变量k修改了之后，线程B没有立即看到线程A修改的值。

Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性（Ordering）：一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。

我们先看下以下的例子，对有序性有一个直观的印象：

例子1：

int k = 0; 
int j = 1  
k = 5; //代码1
j = 6; //代码2

按照有序性的规定，该例子中的代码1应该在代码2之前执行，但是实际上真的是这样吗？

答案是否定的，JVM并不保证上面这个代码1和代码2的执行顺序，因为这两行代码并没有数据依赖性，先执行哪一行代码，最终的执行结果都不会改变，因此，JVM可能会进行指令重排序。

例子2：

int k = 1; // 代码1
int j = k; // 代码2

在单线程中，代码1的执行顺序会在代码2之前吗？

答案是肯定的，因为代码2依赖于代码1的执行结果，因此JVM不会对这两行代码进行指令重排序。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

介绍完并发中3种重要的特性后，我们发现synchronized关键字在需要这3种特性的时候都可以作为其中一种的解决方案，看起来很“万能”。的确，大部分的并发控制操作都能使用synchronized来完成。synchronized的“万能”也间接造就了它被程序员滥用的局面，越“万能”的并发控制，通常会伴随着越大的性能影响。

重排序

上面的有序性提到了重排序，这里稍微介绍下重排序的基本内容。

1.什么是重排序？

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。

2.重排序有哪些？

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

3.为什么要重排序？

为了提高性能。

4.重排序会导致不正确的结果吗？

重排序保证在单线程下不会改变执行结果，但在多线程下可能会改变执行结果。

例子1：

上图的3种情况，在单线程下，只要重排序了两个操作的执行顺序就会改变执行结果，因此这3种情况的代码是不会被重排序的。

例子2：

int a = 1;
int b = 2;

上面这段代码的两个操作并没有数据依赖性，改变两个操作的执行顺序也不会改变执行结果，因此有可能被重排序。

5.怎么禁止重排序？

可以通过插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。例如本文将提到的volatile关键字就有这种功能。

先行发生原则

Java语言中有一个“先行发生”（happens-before）的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

现在就来看看“先行发生”原则指的是什么。先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。这句话不难理解，但它意味着什么呢？我们可以举个例子来说明一下，如代码中所示的这3句伪代码。

//以下操作在线程A中执行
k=1;
//以下操作在线程B中执行
j=k;
//以下操作在线程C中执行
k=2;

假设线程A中的操作“k=1”先行发生于线程B的操作“j=k”，那么可以确定在线程B的操作执行后，变量j的值一定等于1，得出这个结论的依据有两个：一是根据先行发生原则，“k=1”的结果可以被观察到；二是线程C还没“登场”，线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量k的值。现在再来考虑线程C，我们依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B的操作之间，但是线程C与线程B没有先行发生关系，那j的值会是多少呢？答案是不确定！1和2都有可能，因为线程C对变量k的影响可能会被线程B观察到，也可能不会，这时候线程B就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程安全性。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
• 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。
• volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。
• 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
• 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

Java语言无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些了，下面演示一下如何使用这些规则去判定操作间是否具备顺序性，对于读写共享变量的操作来说，就是线程是否安全，读者还可以从下面这个例子中感受一下“时间上的先后顺序”与“先行发生”之间有什么不同。

private int value=0;
pubilc void setValue(int value){ 
    this.value=value;
}
public int getValue(){ 
    return value;
}

上面的代码是一组再普通不过的getter/setter方法，假设存在线程A和B，线程A先（时间上的先后）调用了“setValue(1)”，然后线程B调用了同一个对象的“getValue()”，那么线程B收到的返回值是什么？

我们依次分析一下先行发生原则中的各项规则，由于两个方法分别由线程A和线程B调用，不在一个线程中，所以程序次序规则在这里不适用；由于没有同步块，自然就不会发生lock和unlock操作，所以管程锁定规则不适用；由于value变量没有被volatile关键字修饰，所以volatile变量规则不适用；后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里完全没有关系。因为没有一个适用的先行发生规则，所以最后一条传递性也无从谈起，因此我们可以判定尽管线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中“getValue()”方法的返回结果，换句话说，这里面的操作不是线程安全的。

那怎么修复这个问题呢？我们至少有两种比较简单的方案可以选择：要么把getter/setter方法都定义为synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则；要么把value定义为volatile变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值，满足volatile关键字使用场景，这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。

通过上面的例子，我们可以得出结论：一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”，那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢？很遗憾，这个推论也是不成立的，一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”，演示例子如下代码所示。

//以下操作在同一个线程中执行 
int i=1;
int j=2;

代码清单的两条赋值语句在同一个线程之中，根据程序次序规则，“int i=1”的操作先行发生于“int j=2”，但是“int j=2”的代码完全可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为我们在这条线程之中没有办法感知到这点。

上面两个例子综合起来证明了一个结论：时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。

3.volatile详解

volatile的特性

Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性。

1. 保证此变量对所有线程的可见性，即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。
2. 禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。

volatile能保证原子性吗？

关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，认为以下描述成立：“volatile变量对所有线程是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反应到其他线程之中，换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是安全的”。这句话的论据部分并没有错，但是其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是安全的”这个结论。volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但是Java里面的运算并非原子操作，并且volatile并不能保证原子性，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的，我们可以通过一段简单的演示来说明原因，请看下面的例子。

例子：多线程下的自增运算

/**
 * @author joonwhee
 * @date 2019/7/6
 */
public class VolatileTest {
    
    public static volatile int race = 0;
 
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    
    public static void increase() {
        race++;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
 
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(race);
    }
}

如果IDEA下这段代码执行出现死循环，请使用DEBUG运行即可，具体原因可以看：面试必问的CAS，你懂了吗？

例子分析：

这段代码发起了20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正确并发的话，最后输出的结果应该是200000。运行完这段代码之后，并不会获得期望的结果，而且会发现每次运行程序，输出的结果都不一样，都是一个小于200000的数字，这是为什么呢？

问题就出现在自增运算“race++”之中，我们用Javap反编译这段代码后会发现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成的，从字节码层面上很容易就分析出并发失败的原因了：当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race的值加大了，而在操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。 

getstatic // 获取静态变量race，并将值压入栈顶
iconst_1  // 将int值1推送至栈顶
iadd      // 将栈顶两个int型数值相加并将结果压入栈顶
putstatic // 为静态变量race赋值

从这个例子我们可以确定volatile是不能保证原子性的，要保证运算的原子性可以使用java.util.concurrent.atomic包下的一些原子操作类。例如最常见的： AtomicInteger。

volatile能保证有序性吗？

在上面volatile的特性中提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。

例子：双重检测机制实现单例

public class Singleton {
    // 私有化构造函数
    private Singleton() {
    }
    // 没有volatile修饰单例对象
    private static Singleton instance = null;

    // 对外提供的工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检测
            synchronized (Singleton.class) {    // 同步锁
                if (instance == null) { // 第二次检测
                    instance = new Singleton(); // 初始化
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这段代码是单例的双重检测机制实现，相信很多人都用过，并且觉得这个代码是没问题的。在大多数情况，这段代码确实没问题，但在极端的情况下，有个隐藏的问题。

例子分析：

假设有两个线程同时访问这段代码，此时线程A走到15行开始初始化对象，线程B则刚走到12行进行第一次检测。这时要介绍下15行初始化这行代码，这行代码虽然只有一句话，但是被编译后会变成以下3条指令：

memory = allocate（）;    // 1.分配对象的内存空间
ctorInstance（memory）;    // 2.初始化对象
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚才分配的内存地址

正常情况下，这3条执行时按顺序执行，双重检测机制就没有问题。但是CPU内部会在保证不影响最终结果的前提下对指令进行重新排序（不影响最终结果只是针对单线程，切记），指令重排的主要目的是为了提高效率。在本例中，如果这3条指令被重排成以下顺序：

memory = allocate（）;    // 1.分配对象的内存空间
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚才分配的内存地址
ctorInstance（memory）;    // 2.初始化对象

如果线程A执行完1和3，instance对象还未完成初始化，但是已经不再指向null。此时线程B抢占到CPU资源，执行第12行的检测结果为false，则执行第19行，从而返回一个还未初始化完成的instance对象，从而出导致问题出现。要解决这个问题，只需要使用volatile关键字修饰instance对象即可。

从汇编代码分析volatile带来的变化

加入volatile关键字生成的汇编代码

通过对比加入volatile和未加入volatile关键字所生成的汇编代码就会发现，关键变化在于有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“lock addl $0x0,(%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence，指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多CPU访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性了。这句指令中的“addl ＄0x0,(%esp)”（把ESP寄存器的值加0）显然是一个空操作（采用这个空操作而不是空操作指令nop是因为IA32手册规定lock前缀不允许配合nop指令使用），关键在于lock前缀，查询IA32手册，它的作用是使得本CPU的Cache写入了内存，该写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化（Invalidate）其Cache，这种操作相当于对Cache中的变量做了一次前面介绍Java内存模式中所说的“store和write”操作。所以通过这样一个空操作，可让前面volatile变量的修改对其他CPU立即可见。

volatile的使用限制

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性。

• 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

volatile的使用场景

1.状态标记量

使用volatile来修饰状态标记量，使得状态标记量对所有线程是实时可见的，从而保证所有线程都能实时获取到最新的状态标记量，进一步决定是否进行操作。例如常见的促销活动“秒杀”，可以用volatile来修饰“是否售罄”字段，从而保证在并发下，能正确的处理商品是否售罄。

volatile boolean flag = false;
while(!flag){
    doSomething();
}
public void setFlag() {
    flag = true;
}

2.双重检测机制实现单例

普通的双重检测机制在极端情况，由于指令重排序会出现问题，通过使用volatile来修饰instance，禁止指令重排序，从而可以正确的实现单例。

public class Singleton {
    // 私有化构造函数
    private Singleton() {
    }
    // volatile修饰单例对象
    private static volatile Singleton instance = null;

    // 对外提供的工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检测
            synchronized (Singleton.class) {    // 同步锁
                if (instance == null) { // 第二次检测
                    instance = new Singleton(); // 初始化
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

总结：

1. 每个线程有自己的工作内存，工作内存中的数据并不会实时刷新回主内存，因此在并发情况下，有可能线程A已经修改了成员变量k的值，但是线程B并不能读取到线程A修改后的值，这是因为线程A的工作内存还没有被刷新回主内存，导致线程B无法读取到最新的值。
2. 在工作内存中，每次使用volatile修饰的变量前都必须先从主内存刷新最新的值，这保证了当前线程能看见其他线程对volatile修饰的变量所做的修改后的值。
3. 在工作内存中，每次修改volatile修饰的变量后都必须立刻同步回主内存中，这保证了其他线程可以看到自己对volatile修饰的变量所做的修改。
4. volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。
5. volatile保证可见性，不保证原子性，部分保证有序性（仅保证被volatile修饰的变量）。
6. 指令重排序的目的是为了提高性能，指令重排序仅保证在单线程下不会改变最终的执行结果，但无法保证在多线程下的执行结果。
7. 为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止重排序。