volatile关键字的作用、原理


在只有双重检查锁，没有volatile的懒加载单例模式中，由于指令重排序的问题，我确实不会拿到两个不同的单例了，但我会拿到“半个”单例。

而发挥神奇作用的volatile，可以当之无愧的被称为Java并发编程中“出现频率最高的关键字”，常用于保持内存可见性和防止指令重排序。

保持内存可见性

内存可见性（Memory Visibility）：所有线程都能看到共享内存的最新状态。

失效数据

以下是一个简单的可变整数类：



public class MutableInteger {
    private int value;
    public int get(){
        return value;
    }
    public void set(int value){
        this.value = value;
    }
}
public class MutableInteger {
    private int value;
    public int get(){
        return value;
    }
    public void set(int value){
        this.value = value;
    }
}



MutableInteger不是线程安全的，因为get和set方法都是在没有同步的情况下进行的。如果线程1调用了set方法，那么正在调用的get的线程2可能会看到更新后的value值，也可能看不到。

解决方法很简单，将value声明为volatile变量：



private volatile int value;
private volatile int value;



神奇的volatile关键字

神奇的volatile关键字解决了神奇的失效数据问题。

Java变量的读写

Java通过几种原子操作完成工作内存和主内存的交互：

  1. lock：作用于主内存，把变量标识为线程独占状态。
  2. unlock：作用于主内存，解除独占状态。
  3. read：作用主内存，把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存。
  4. load：作用于工作内存，把read操作传过来的变量值放入工作内存的变量副本中。
  5. use：作用工作内存，把工作内存当中的一个变量值传给执行引擎。
  6. assign：作用工作内存，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
  7. store：作用于工作内存的变量，把工作内存的一个变量的值传送到主内存中。
  8. write：作用于主内存的变量，把store操作传来的变量的值放入主内存的变量中。

volatile如何保持内存可见性

volatile的特殊规则就是：

  • read、load、use动作必须连续出现。
  • assign、store、write动作必须连续出现。

所以，使用volatile变量能够保证:

  • 每次读取前必须先从主内存刷新最新的值。
  • 每次写入后必须立即同步回主内存当中。

也就是说，volatile关键字修饰的变量看到的随时是自己的最新值。线程1中对变量v的最新修改，对线程2是可见的。

防止指令重排

在基于偏序关系的Happens-Before内存模型中，指令重排技术大大提高了程序执行效率，但同时也引入了一些问题。

一个指令重排的问题——被部分初始化的对象

懒加载单例模式和竞态条件

一个懒加载的单例模式实现如下：



class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if ( instance == null ) { //这里存在竞态条件
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if ( instance == null ) { //这里存在竞态条件
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}



竞态条件会导致instance引用被多次赋值，使用户得到两个不同的单例。

DCL和被部分初始化的对象

为了解决这个问题，可以使用synchronized关键字将getInstance方法改为同步方法；但这样串行化的单例是不能忍的。所以我猿族前辈设计了DCL（Double Check Lock，双重检查锁）机制，使得大部分请求都不会进入阻塞代码块：



class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if ( instance == null ) { //当instance不为null时，仍可能指向一个“被部分初始化的对象”
            synchronized (Singleton.class) {
                if ( instance == null ) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if ( instance == null ) { //当instance不为null时，仍可能指向一个“被部分初始化的对象”
            synchronized (Singleton.class) {
                if ( instance == null ) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}



“看起来”非常完美：既减少了阻塞，又避免了竞态条件。不错，但实际上仍然存在一个问题——当instance不为null时，仍可能指向一个"被部分初始化的对象"。

问题出在这行简单的赋值语句：



instance = new Singleton();
instance = new Singleton();



它并不是一个原子操作。事实上，它可以”抽象“为下面几条JVM指令：



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



上面操作2依赖于操作1，但是操作3并不依赖于操作2，所以JVM可以以“优化”为目的对它们进行重排序，经过重排序后如下：



memory = allocate();    //1：分配对象的内存空间
instance = memory;      //3：设置instance指向刚分配的内存地址（此时对象还未初始化）
ctorInstance(memory);   //2：初始化对象
memory = allocate();    //1：分配对象的内存空间
instance = memory;      //3：设置instance指向刚分配的内存地址（此时对象还未初始化）
ctorInstance(memory);   //2：初始化对象



可以看到指令重排之后，操作 3 排在了操作 2 之前，即引用instance指向内存memory时，这段崭新的内存还没有初始化——即，引用instance指向了一个"被部分初始化的对象"。此时，如果另一个线程调用getInstance方法，由于instance已经指向了一块内存空间，从而if条件判为false，方法返回instance引用，用户得到了没有完成初始化的“半个”单例。
解决这个该问题，只需要将instance声明为volatile变量：



private static volatile Singleton instance;
private static volatile Singleton instance;



也就是说，在只有DCL没有volatile的懒加载单例模式中，仍然存在着并发陷阱。我确实不会拿到两个不同的单例了，但我会拿到“半个”单例（未完成初始化）。
然而，许多面试书籍中，涉及懒加载的单例模式最多深入到DCL，却只字不提volatile。这“看似聪明”的机制，曾经被我广大初入Java世界的猿胞大加吹捧——我在大四实习面试跟谁学的时候，也得意洋洋的从饱汉、饿汉讲到Double Check，现在看来真是傻逼。对于考查并发的面试官而言，单例模式的实现就是一个很好的切入点，看似考查设计模式，其实期望你从设计模式答到并发和内存模型。

volatile如何防止指令重排

volatile关键字通过“内存屏障”来防止指令被重排序。

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特定类型的处理器重排序。然而，对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此，Java内存模型采取保守策略。

下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

进阶

在一次回答上述问题时，忘记了解释一个很容易引起疑惑的问题：

如果存在这种重排序问题，那么synchronized代码块内部不是也可能出现相同的问题吗？

即这种情况：



class Singleton {
    ...
        if ( instance == null ) { //可能发生不期望的指令重排
            synchronized (Singleton.class) {
                if ( instance == null ) {
                    instance = new Singleton();
                    System.out.println(instance.toString()); //程序顺序规则发挥效力的地方
                }
            }
        }
    ...
}
class Singleton {
    ...
        if ( instance == null ) { //可能发生不期望的指令重排
            synchronized (Singleton.class) {
                if ( instance == null ) {
                    instance = new Singleton();
                    System.out.println(instance.toString()); //程序顺序规则发挥效力的地方
                }
            }
        }
    ...
}



难道调用instance.toString()方法时，instance也可能未完成初始化吗？

首先还请放宽心，synchronized代码块内部虽然会重排序，但不会在代码块的范围内导致线程安全问题。

Happens-Before内存模型和程序顺序规则

程序顺序规则：如果程序中操作A在操作B之前，那么线程中操作A将在操作B之前执行。

前面说过，只有在Happens-Before内存模型中才会出现这样的指令重排序问题。Happens-Before内存模型维护了几种Happens-Before规则，程序顺序规则最基本的规则。程序顺序规则的目标对象是一段程序代码中的两个操作A、B，其保证此处的指令重排不会破坏操作A、B在代码中的先后顺序，但与不同代码甚至不同线程中的顺序无关。

因此，在synchronized代码块内部，instance = new Singleton()仍然会指令重排序，但重排序之后的所有指令，仍然能够保证在instance.toString()之前执行。进一步的，单线程中，if ( instance == null )能保证在synchronized代码块之前执行；但多线程中，线程1中的if ( instance == null )却与线程2中的synchronized代码块之间没有偏序关系，因此线程2中synchronized代码块内部的指令重排对于线程1是不期望的，导致了此处的并发陷阱。

类似的Happens-Before规则还有volatile变量规则、监视器锁规则等。程序猿可以借助（Piggyback）现有的Happens-Before规则来保持内存可见性和防止指令重排。

注意点

上面简单讲解了volatile关键字的作用和原理，但对volatile的使用过程中很容易出现的一个问题是：

错把volatile变量当做原子变量。

出现这种误解的原因，主要是volatile关键字使变量的读、写具有了“原子性”。然而这种原子性仅限于变量（包括引用）的读和写，无法涵盖变量上的任何操作，即：

  • 基本类型的自增（如count++）等操作不是原子的。
  • 对象的任何非原子成员调用（包括成员变量和成员方法）不是原子的。

如果希望上述操作也具有原子性，那么只能采取锁、原子变量更多的措施。