Volatile：JVM 我警告你，我的人你别乱动

,Volatile 算是一个面试中的高频问题了。我们都知道 Volatile 有两个作用：,指令重排序的问题，基本上都是通过 DCL 问题来考察。,面试中通常会是下面这种情景：,面试官：用过单例吗？,你：用过。,面试官：如何实现一个线程安全的懒汉式单例,你：DCL。,面试官：DCL 可以保证线程绝对安全吗？,你：加 Volatile。,面试官满意的点点头。通常情况下，面试中这个问题聊到这里也就结束了。,但这个问题，还有一些可挖掘的内容。我们顺着单例的代码继续往下挖：,如果不加 Volatile，会有什么问题呢？问题就出现在下面这行代码：,上面这行代码看起来也平平无奇呀，就是一个赋值操作，还能整什么幺蛾子呢？我们只写了一行代码，但 JVM 则需要做好几步操作。那 JVM 究竟干了啥呢？大概也许可能差不多就是把大象给放冰箱里了。,Java 代码中的一条赋值语句，到了 JVM 指令层面大概分三步：,下面通过字节码来一探究竟，为了简化问题，我们替换成下面的代码：,编译以后，通过 javap -v 命令，或者 IDEA 中的 JClassLib 插件可以看到如下图所示的内容：,,通过上面的字节码信息，可以更加清楚的看到上面提到的那三个步骤：,到这里，问题就比较明了了。重排的问题会发生在第 2 和 3 步。因为先初始化还是先把对象的内存地址赋值给 o，并没有必然的前后制约关系。因此，这类的指令在某些情况下会被重排序。,单线程下，这种重排序完全没有问题。但是多线程的场景下，就有可能出问题：A 线程进入到 instance = new Singleton(); 后，由于指令重排，在 init 之前，将地址给了 o。此时 B 线程来了，发现 instance 不为 null，于是直接拿去用了，然而此时 instance 并没有初始化，只是个半成品。所以，当 B 拿到 instance 进行操作的时候就会出现问题了。,因此，instance 需要使用 volatile 来修饰，从而禁止进行指令重排。,到这里，你可能要说了，我用单例不加 volatile，这么长时间了也没遇到你说的重排序问题。你怎么证明「重排序」的存在呢？好问题，下面咱们通过一个小例子来验证一下重排序是否真的存在。,代码很简单，就是几个赋值操作，但却很巧妙。x、y、a、b 初始都为 0，两个线程分别给 a、x 和 b、y 赋值，线程 one 先让 a = 1，然后再让 x = b；two 线程先让 b = 1，然后再让 y = a。,假如不发生重排序，那么以上程序只会有下面六种可能：,,也就是说，在没有重排序的情况下，不可能出现 x、y 同时为 0 的情况。而如果 x、y 同时为 0 了，那么一定是出现了下面六种情况中的一种，既发生了重排。,,运行程序，经过漫长的等待，得到了如下的输出：,,可以看到，在执行了五十多万次以后，我们终于捕捉到了一次重排序。发生这种情况的几率很低，所以你就算没有用 volatile 大概率不会有问题，但我们在今后还是要合理的使用 volatile。,聊完指令重排，接下来聊聊内存可见。这次我们直接上代码：,代码很简单，主线程内开启一个子线程，子线程中一个 while 循环，当 flag 为 false 时，结束循环。flag 初始值为 true，一秒钟后，被主线程设置为 false。,按照上面这个逻辑，子线程应该会在程序启动一秒后停止。然而，当你运行程序后会发现，这个程序就像吃了炫迈一样，根本停不下来。,这说明主线程对 flag 的修改，子线程并没有感知到。我们修改一下程序：,为 flag 加上 volatile 修饰符，再次运行，你会发现程序运行后，很快（大概一秒钟）就停止了。这是为啥？是炫迈的药劲儿过了吗？,哈哈，当然不是。为了更好的性能，线程都有自己的缓存（CPU 中的高速缓存），我们称之为工作内存或者本地内存。还有一块公共内存，我们叫它主从吧。它们的结构大致如下图所示：,,主存中定义了一个 flag 变量，每个线程读取它的时候，为了更好的性能会在线程本地缓存一份它的副本。读取的时候也是优先读取本地副本的值。当 flag 被 volatile 修饰后，每次被修改，都会让其他线程中的副本失效，从而必须去主存中读取最新的值。所以，在使用了 volatile 后，子线程能够立即感知到 flag 的变化，从而停止。,上图简化了线程（CPU）的缓存结构，其完整结构如下图所示：,,现代 CPU 共有三级缓存，分别为：L1、L2 和 L3。CPU 中的每个核心都有自己的 L1 和 L2，而一颗 CPU 中的多个核心会共享 L3。,Volatile 的意思是，易变的，动荡不定的，反复无常的。volatile 的作用就是告诉 JVM，被我修饰的变量它非常善变，你要给我盯好了，一旦有风吹草动要立马通知大家；另外，你不要自作聪明的调整它的位置（为了性能重排序），它可是说翻脸就翻脸的主儿。,最后，留一个小问题：内存可见性的那个程序中，就算 flag 没有被 volatile 修饰，线程顶多不是第一时间读到 flag 的修改，但也不应该一直读不到呀，这是为啥？这太反直觉了！