Volatile有序性

在并发编程中谈及到的无非是可见性、有序性及原子性。而这里的Volatile只能够保证前两个性质，对于原子性还是不能保证的，只能通过锁的形式帮助他去解决原子性操作。

package com.montos.detail;
public class Singleton {
    public static volatile Singleton instance = null;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (instance) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

上面的代码是利用了单例模式里面的一个双重校验的写法，里面的实例变量中就是加上了volatile关键字，可能大家对于加不加这个关键字没啥感觉，因为去除这个关键字就可以保证多线程的情况下，外部能够拿到唯一的对象，还需要加上这个关键字干什么？。

双重校验的写法：第一次判断是否为null是为了拒绝掉当对象不为空的时候剩余的线程。里面加锁是为了当对象为null的时候，此时同时进来两个线程(A和B两个线程)，我们要保证只有一个线程才可以初始化对象，所以在这里面加上了锁，这样A拿到了锁进去初始化对象，然后进行返回，B再进去此时发现不为null，那么就不执行初始化的过程。这样就能保证上面的单例模式的正常运行，同时为系统也是节约了许多开销（避免每个线程进来加锁--懒汉式写法等。。）

在理解上面的为什么不安全的情况下，我们首先要理解对象实例化的步骤：

1. 分配内存空间。
2. 初始化对象。
3. 将内存空间的地址赋值给对应的引用。

上面是正常情况下，对象实例化的步骤，但是由于操作系统方面的原因。上面的第二步可能与第三步进行对换，如果发生这种情况，那么此时拿到的对象也只是一个引用，对于后面的业务操作可能存在错误的发生。

序号	指令	说明
1	IF	取值
2	ID	译码和取寄存器操作数
3	EX	执行或者有效地址计算
4	MEM	存储器访问
5	WB	写回

未进行指令重排的Demo:
a = b + c; d = e -f ;

从上图可以看到有几个打x的地方，如果按照顺序执行的话，CPU是需要一个时钟周期来等待的，首先看第一个红色框的，第一个需要空出一个时钟周期是因为当前变量C还没有写入，此时是不可以进行两个值计算的，我们需要等待变量C的写入才可以进行执行两个数的求和，第二个空的时钟周期是因为当前一个时钟周期内，一个物理逻辑单位只能被一个指令执行，如果不空出一个时钟周期，那么就会与上面的EX起到冲突，第三个空档也是一样的道理。第二个红色框也是如此。

这上面就是如果计算机不进行指令重排的话，一个简单的计算，我们就可能浪费了5个时钟周期，即一条指令的从头到尾执行，所以计算机为了高效，就会对原来的指令进行重排，让CPU的资源能够得到很好的使用。

我们就将变量e的指令执行放在变量c之后，变量f的指令执行放在计算第一个表达式指令之后：

结果我们看到：

这个时候我们发现并没有浪费一个时钟周期，程序也达到了想要的计算效果，这就是计算机对于指令重排的一个优点，使得流水线更加的顺畅。

上面就说明了指令重排有时候对于程序执行是好的，但是有些情况下我们并不想发生这种情况，就是对象实例化的时候，我们就希望它能够按照顺序执行的方式执行下去。这个时候volatile就帮助了我们，它能够有效的防止指令重排。

Volatile有序性原理

volatile之所以能够阻止指令重排，是因为底层JVM里面利用了内存屏障来实现的，内存屏障主要有三点功能：

1. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
2. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
3. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

这里主要有四种类型的屏障操作：

（1）LoadLoad 屏障
执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2
确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

（2）StoreStore 屏障
执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2
确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。

（3）LoadStore 屏障
执行顺序： Load1—>LoadStore—>Store2
确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。

（4）StoreLoad 屏障
执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2
确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。

通过上面内存屏障的限制，我们使用volatile就可以保证指令不会被操作系统进行重排。

Volatile可见性

线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：

1. 修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。

2. 修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。

通过这两点就可以很好的解决可见性问题。

写在最后