Java中的volatile到底是什么来路
今天来介绍下Java中的volatile关键字，volatile也是Java并发编程中不得不看的一个部分，在之前的文章中说到的双重检测单例模式其实也跟volatile也有不解之缘，另外volatile跟计算机体系架构（CPU）也是有着千丝万缕的关系。
所以引入volatile之前，还是先来理解下背景：
由于计算的cpu、内存、IO设备的速度不均衡，cpu的速度最快，内存其次，IO设备速度最慢。因此在数据传输的过程中，就会出现cpu等待内存数据，内存等待IO数据的情况，整体上就会导致CPU不能高效利用，浪费资源。
于是科学家们为了提高CPU的利用率，不让CPU闲置，从操作系统层面和软件层面进行优化，比如之前同步？阻塞？到底什么是I/O模型这篇文章中提到的各种I/O模型，其目的就是为了越来越高效地利用CPU；此外，在CPU中，除了存在寄存器之外，还设置了一级、二级、三级...缓存，其目的也是为了缓解CPU和内存速度的差异，CPU可以优先从缓存中进行获取数据，这样不必每次都要去访问内存，也是一种优化方式。
但是事情往往总是两面性的，在优化性能和速度的同时，又引入了新问题，在一台主机具备多CPU多核的时代，计算机上的程序往往都是多用户多进程多线程式地去跑，在一台具有多CPU多核的机器上，程序是可以达到真正地并行计算的，而问题也就随之而来.......
下面是一段经典的多线程使用共享变量的例子：
int a = 0;// 线程A运行a += 1// 线程B运行a += 1
这里的共享变量a被线程A和线程B共享，可以试想下，最后a的结果是多少呢？
如果是单线程运行，毫无疑问，a的结果肯定是2，而在多线程的情况下，结果是多样的，有可能会出现a=1的情况，因为线程A和线程B是运行在一台2个CPU的机器上，线程A和线程B各占一个CPU，那也就是说线程A和线程B会各自享有自己占据的那个CPU上的寄存器和缓存，CPU在计算的时候会把要计算的数值取到寄存器中，计算完，会刷新到缓存或者主存（主存即内存）中，而当两个CPU各自把a这个变量加载进寄存器中后，会进行各自的计算，只要没有把CPU中寄存器中的值同步进内存中，那么两个线程中缓存中的a的值对双方来说都是不可见的，因此就如下图所示情况：
当线程A做完第1步操作：a=a+1. 这时候a的值还没有写到内存，而线程B也开始了a=a+1的操作，然后线程A将a的值写入内存，最后线程B也将a的值写入内存，所以a的值最终还是为1。
所以看到这里，可以看出来多线程情况下出现的问题，其实也是因为一系列的优化问题引起的，而在Java中要解决这个问题，Java也提供了相应的措施给开发者，比如今天要提到的volatile，还有诸如原子操作，锁操作等等。关于上面的那个例子，不得不再多一句最，即使用volatile来修饰变量a，其实也不能完全保证a可以得到正确的值，因为volatile仅仅保证的是内存可见性，而不是原子性，关于volatile保证内存可见性的问题下面会进行介绍。
今天主要介绍volatile这个关键字，通过对它做了一些解读和研究，主要分为这几点：
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指令集重排序优化
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volatile保证内存可见性
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JMM（Java Memory Model模型），happens-before 规则
这几个点其实也是比较绕口的专业术语，也涉及到了JMM（Java Memory Model）的知识点，下面还是看例子，比较有清晰的认识：
以单例模式这个例子说起，单例模式中有一种写法是懒汉模式，并且为了多线程安全以及性能优化的考虑，用了双重检测的机制，在之前的文章单例模式（三）和单例模式（四）也讲过，看下面这段代码：
public class Singleton {private static Singleton singleton;private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){if (singleton == null){synchronized (Singleton.class){if(singleton == null)singleton = new Singleton();}}return singleton;}}
针对这种双重检测，更加严谨的做法就是在静态成员变量singleton 的前面加上volatile这个关键字，因为如果不加这个volatile可能会到导致多线程访问单例对象singleton的时候会发生报错，因为从高级语言层面来理解代码的执行是很难去想通这个逻辑的，因为Java会被编译为Class文件，就是字节码文件，字节码文件中包含的是一条条的指令，指令是由java虚拟机去解释执行的，所以这里的singleton = new Singleton();这句初始化语句其实被分解为下面几条语句：
new #3 // class cs/designpattern/singleton/bean/Singleton2...invokespecial #4 // Method "<init>":()Vputstatic #2 // Field singleton:Lcs/designpattern/singleton/bean/Singleton2;
可以看到主要的指令执行就是：
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new对象
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调用构造函数
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引用赋值
而这三句指令目前的执行顺序是没有问题的，但是问题在于指令执行过程中，根据不同的计算机体系架构，CPU会对其进行指令集优化，当CPU优化指令集的时候，会对上面的指令集进行一种重排序的操作，而这种重排序的操作就会导致上面的指令顺序可能会变为：
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new对象
-
引用赋值
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调用构造函数
这时候，会发生原本在第3步的引用赋值先于第2步的构造函数的调用，这时候就有可能发生这样的错误：假设这时候A、B两个线程来共同执行这端逻辑，A已经获取了锁，进入了锁里面的代码段，并且执行了1、2这两句指令操作，然后当B线程过来的时候，发现instance不为空了，所以就直接返回，而这时候A其实还没有执行第3个指令，所以B获取的instance其实就是一个未进行初始化（没有调用构造函数）的对象，这时候，如果使用这个对象就会报错。而引入volatile就是为了解决这个问题，代码如下：
public class Singleton {private static volatile Singleton singleton;private Singleton(){}public Singleton getInstance(){if (singleton == null){synchronized (Singleton.class){if(singleton == null)singleton = new Singleton();}}return singleton;}}
volatile在这里的语义就是防止指令重排序，这样在初始化对象的时候，就能强制保证如下的顺序，保证了引用赋值不会先于构造函数的调用：
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new对象
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调用构造函数
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引用赋值
所以B线程就不会再获取一个未初始化过的对象了。
关于volatile防止指令重排序，其实也是JMM规定的happens-before规则之一, 在happens-before的规范中，volatile的一种语义就是防止指令重排序。
看完指令重排序后，来看volatile的另外一种语义：内存可见性
仍然来看一个小例子：
volatile boolean stop = false;// 线程A执行void shutdown(){stop = true}// 其他线程执行while(stop){stopCurrentThread();}
这里我们可以看到将stop这个多线程共享变量设置了volatile属性，为的就是可以立即让stop这个变量的值刷新到内存中，从而让其他线程执行的时候可以立即感知到stop这个变量的值发生了变，所以这里volatile的可见性语义其实就是体现在可以及时地将CPU寄存器或者CPU缓存中的计算结果及时地刷新到内存，起到多线程可以感知的效果，这也是JVM内存模型中happens-before定义的一个规则。
总结一下，今天主要记录了Java中volatile的两种语义：
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防止指令重排序
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内存可见性
关于JMM中的happens-before的规则，只是略微提了下，后面有时间也会做相应地记录和分析。