Java 的 volatile 关键字经常见到, 但是错误理解其中的原理和机制,
少不了会埋下许多炸弹, 有时可能造成严重损失.

线程内存模型

为什么要说这个呢? 因为理解 Java 的线程内存模型有助于我们更好地理解 volatile 的工作方式.
参考另一篇博客

volatile 作用

作用1. 可见性

我们为什么使用 volatile, 相信大部分人都是为了可见性, 保证变量对所有线程的可见性.
比如一条线程修改了变量值, 其他线程可以马上得知.

某些情况来说, volatile 可以避免一致性问题, 因为在使用前都会刷新,
但是在比如自增操作的情况下, 就会有并发一致性的问题.

我们都知道i++, 转成字节码是有4个指令:

getstatic
iconst_1
iadd
putstatic

假设在 getstatic 时, volatile 保证了此时的 i 值是最新的,
但是直到 pustatic 同步回主内存的这个操作期间,
可能有其他线程更新 i 值, 导致数据不一致.

需要注意的是, 这些字节码指令也不一定是原子操作(可用 -XX:+PrintAssembly 查看汇编指令).
因此, volatile 只能保证可见性, 而非一致性. 有些场景我们还是需要用锁来保证原子性(或者使用 CAS).

其他方法实现可见性:

除了 volatile, 还有两个关键字能实现可见性: synchronized 和 final.
synchronized: 在 unlock 前, 会把数据同步回主内存(store + write).
final: 构造器初始化完成后, 变量的值就固定了.

作用2. 禁止指令重排序优化

大多数现代微处理器都会采用将指令乱序执行的方法（out-of-order execution，简称OoOE或OOE）,
在条件允许的情况下，直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据时造成的等待,
这样可以大大提高执行效率。JIT编译器也会做指令重排序操作4，即生成的机器指令与字节码指令顺序不一致。

可以看下面的两个例子:

例子1: 提前执行

// 初始化
volatile boolean initialized = false;
...
doInit();
initialized = true;

// 线程2
while (!initialized) {
    sleep();
}

上面代码中的initialized用了volatile修饰, 若非如此, initialized = true可能被提前执行.
因为机器级别的重排序优化, 把该代码的汇编指令提前执行了, 使用volatile就可以避免这种情况的发生.

例子2: 双重检查

看过GOF的<设计模式>的同学, 应该记得单例模式那部分有提到双重检查延迟初始化的代码, 大概是这样的:

public class VolatileSingleton {
    private volatile static VolatileSingleton instance;

    public static void main(String[] args) {
        VolatileSingleton.getInstance();
    }

    public static VolatileSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (VolatileSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new VolatileSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

其中 instance 用了 volatile 修饰, 为什么呢? 我们看一下打印出来的汇编代码 :

0x00007f512d108fae: mov    0x20(%rsp),%rsi
0x00007f512d108fb3: mov    %rsi,%r10
0x00007f512d108fb6: shr    $0x3,%r10
0x00007f512d108fba: mov    %r10d,0x68(%rax)
0x00007f512d108fbe: shr    $0x9,%rax
0x00007f512d108fc2: mov    $0x7f513f242000,%rsi
0x00007f512d108fcc: movb   $0x0,(%rax,%rsi,1)
0x00007f512d108fd0: lock addl $0x0,(%rsp)     ;*putstatic instance
                                              ; - org.niko.xxx.VolatileSingleton::getInstance@24 (line 18)

其中 lock addl $0x0,(%rsp) 操作 (如果去掉volatile的话, 将不会有这一句),
是把 rsp 的内容加 0, 这个相当于什么都没做, 这个有什么作用呢?
其实这个和 lock 搭配, 相当于一个内存屏障, 他会把前面的修改内容同步到内存, 同时通知到缓存子系统.
(那为什么不用nop呢? 因为 lock 不允许和 nop 搭配使用) lock操作会把高速缓存写入内存,
并促发其他CPU或内存去 invalidate 自己的 cache .

参考

https://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier
http://tech.meituan.com/java-memory-reordering.html
周志明 - [深入理解Java虚拟机.JVM高级特性与最佳实践]