volatile 原理

矫情吗；* 2023-10-12 16:28 16阅读 0赞

volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

*  对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
 *  对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

#### 如何保证可见性 ####

写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
        // 写屏障
    }

而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

public void actor1(I_Result r) {
        // 读屏障
        // ready 是 volatile 读取值带读屏障
        if(ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }

#### ![2c99d054befd44d98fbbb613eb8e5cc0.png][] 如何保证有序性 ####

写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后

public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
        // 写屏障
    }

读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

![c8252197902441299ceaf186a54b5b6d.png][]

还是那句话，不能解决指令交错：

*  写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证读跑到它前面去
 *  而有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序

![6bfd0c761d4f4c8d953f2555395e3c24.png][]

以上的实现特点是：

*  懒惰实例化
 *  首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
 *  有隐含的，但很关键的一点：第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外

但在多线程环境下，上面的代码是有问题的，getInstance 方法对应的字节码为：

0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
    3: ifnonnull 37
    6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
    8: dup
    9: astore_0
    10: monitorenter
    11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
    14: ifnonnull 27
    17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
    20: dup
    21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
    24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
    27: aload_0
    28: monitorexit
    29: goto 37
    32: astore_1
    33: aload_0
    34: monitorexit
    35: aload_1
    36: athrow
    37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
    40: areturn

其中

*  17 表示创建对象，将对象引用入栈 // new Singleton
 *  20 表示复制一份对象引用 // 引用地址
 *  21 表示利用一个对象引用，调用构造方法
 *  24 表示利用一个对象引用，赋值给 static INSTANCE

也许 jvm 会优化为：先执行 24，再执行 21。如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：

![b84a960a03dd4dbdaf459fd77f5b9b52.png][]

关键在于 0: getstatic 这行代码在 monitor 控制之外，它就像之前举例中不守规则的人，可以越过 monitor 读取  
INSTANCE 变量的值  
这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初  
始化完毕的单例  
对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效

> `Synchronized`关键字可以保证线程的互斥访问和可见性，但它并不能保证有序性。具体而言，即使一个线程已经执行完了`synchronized`代码块或方法，其内部对共享变量的修改操作也不一定立即对其他线程可见。
> 
> 这是因为，在多个线程中，线程的调度是由操作系统和JVM共同决定的，并不是由程序控制的。因此，如果两个线程访问同一个资源，可能存在一种情况，即一个线程已经获取到了锁，但由于某种原因（如I/O操作、线程调度等），导致它暂停了一段时间，期间另一个线程也获得了锁并修改了共享变量，这样在第一个线程重新运行时，它的本地缓存并没有及时刷新，就会导致数据的不一致性。

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