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Volatile：JVM 我警告你，我的人你别乱动

2022-08-09 15:17:00 【InfoQ】

 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：

禁止指令重排

保证内存可见

指令重排序

指令重排序的问题，基本上都是通过 DCL 问题来考察。

DCL，Double Check Look

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：

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，会有什么问题呢？问题就出现在下面这行代码：

instance = new Singleton();

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：

分配一块内存空间

初始化

返回内存地址

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：

Object o = new Object();

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：

new 用来分配一块内存空间

invokspecial 调用了 Object 的 init() 方法，做了初始化

astore_1 就是将 o 指向了 Object 实例对象的内存地址，完成赋值

dup 指令会做一些入栈操作，跟我们要讨论的问题关系不大，这里可以先忽略。

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。

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(&quot;第 {} 次，x = {}, y = {}&quot;, i, x, y); break; } }}

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：

每一列，从上到下代表代码执行的顺序。

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。

每一列，从上到下代表代码执行的顺序。

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。

内存可见性

聊完指令重排，接下来聊聊内存可见。这次我们直接上代码：

private static boolean flag = true;private static void justRun() { System.out.println(&quot;Thread One Start&quot;); while (flag) {} System.out.println(&quot;Thread One End&quot;);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new Thread(() -> justRun(), &quot;Thread One&quot;).start(); TimeUnit.SECONDS.sleep(1); flag = false;}

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：

private static volatile boolean flag = true;

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：