volatile 原理
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是被volatile修饰的 ，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是被volatile修饰的 ，读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
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是被volatile修饰的 ， 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
public void actor1(I_Result r) { // 读屏障 // ready是被volatile修饰的 ，读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
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，但不能保证其它线程的读跑到它前面去
- 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
double-checked locking 问题
以著名的 double-checked locking 单例模式为例，这是volatile最常使用的地方。
//最开始的单例模式是这样的
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
// 首次访问会同步，而之后的使用不用进入synchronized
synchronized(Singleton.class) {
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
return INSTANCE;
}
}
//但是上面的代码块的效率是有问题的，因为即使已经产生了单实例之后，之后调用了getInstance()方法之后还是会加锁，这会严重影响性能！因此就有了模式如下double-checked lockin：
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
if(INSTANCE == null) { // t2
// 首次访问会同步，而之后的使用没有 synchronized
synchronized(Singleton.class) {
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
//但是上面的if(INSTANCE == null)判断代码没有在同步代码块synchronized中，不能享有synchronized保证的原子性，可见性。所以
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
// ldc是获得类对象
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶, 将类对象的引用地址复制了一份
8: dup
// 操作数栈栈顶的值弹出，即将对象的引用地址存到局部变量表中
// 将类对象的引用地址存储了一份，是为了将来解锁用
9: astore_0
10: monitorenter
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
// 新建一个实例
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制了一个实例的引用
20: dup
// 通过这个复制的引用调用它的构造方法
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
// 最开始的这个引用用来进行赋值操作
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 // 复制了引用地址
- 21 表示利用一个对象引用，调用构造方法 // 根据复制的引用地址调用构造方法
- 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：
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
double-checked locking 解决
加volatile就行了
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static volatile Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
// 实例没创建，才会进入内部的 synchronized代码块
if (INSTANCE == null) {
synchronized (Singleton.class) { // t2
// 也许有其它线程已经创建实例，所以再判断一次
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
字节码上看不出来 volatile 指令的效果
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的读屏障
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 -----------------------> 保证原子性、可见性
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;
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的写屏障
27: aload_0
28: monitorexit ------------------------> 保证原子性、可见性
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
如上面的注释内容所示，读写 volatile 变量操作（即getstatic操作和putstatic操作）时会加入内存屏障（Memory Barrier（Memory Fence）），保证下面两点：
- 可见性
- 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的 t1 对共享变量的改动，都同步到主存当中
- 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后 t2 对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
- 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
- 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
- 更底层是读写变量时使用 lock 指令来多核 CPU 之间的可见性与有序性
happens-before
下面说的变量都是指成员变量或静态成员变量
-
线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
-
static int x; static Object m = new Object(); new Thread(()->{ synchronized(m) { x = 10; } },"t1").start(); new Thread(()->{ synchronized(m) { System.out.println(x); } },"t2").start();
-
-
线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
-
volatile static int x; new Thread(()->{ x = 10; },"t1").start(); new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start();
-
-
线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见
-
static int x; x = 10; new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start();
-
-
线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）
``` static int x; Thread t1 = new Thread(()->{ x = 10; },"t1"); t1.start(); t1.join(); System.out.println(x); ```
-
线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过
t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）-
static int x; public static void main(String[] args) { Thread t2 = new Thread(()->{ while(true) { if(Thread.currentThread().isInterrupted()) { System.out.println(x); break; } } },"t2"); t2.start(); new Thread(()->{ sleep(1); x = 10; t2.interrupt(); },"t1").start(); while(!t2.isInterrupted()) { Thread.yield(); } System.out.println(x); }
-
-
对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
-
具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z ，配合 volatile 的防指令重排，有下面的例子
-
volatile static int x; static int y; new Thread(()->{ y = 10; x = 20; },"t1").start(); new Thread(()->{ // x=20 对 t2 可见, 同时 y=10 也对 t2 可见 System.out.println(x); },"t2").start();
-
总结
volatile主要用在一个线程改多个线程读时的来保证可见性，和double-checked locking模式中保证synchronized代码块外的共享变量的重排序问题
习题
balking 模式习题
希望 doInit() 方法仅被调用一次，下面的实现是否有问题，为什么？
public class TestVolatile {
volatile boolean initialized = false;
void init() {
if (initialized) {
return;
}
doInit();
initialized = true;
}
private void doInit() {
}
}
线程安全单例习题
单例模式有很多实现方法，饿汉、懒汉、静态内部类、枚举类，试分析每种实现下获取单例对象（即调用
getInstance）时的线程安全，并思考注释中的问题
饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建
实现1： 饿汉式
// 问题1：为什么加 final，防止子类继承后更改
// 问题2：如果实现了序列化接口, 还要做什么来防止反序列化破坏单例，如果进行反序列化的时候会生成新的对象，这样跟单例模式生成的对象是不同的。要解决直接加上readResolve()方法就行了，如下所示
public final class Singleton implements Serializable {
// 问题3：为什么设置为私有? 放弃其它类中使用new生成新的实例，是否能防止反射创建新的实例?不能。
private Singleton() {}
// 问题4：这样初始化是否能保证单例对象创建时的线程安全?没有，这是类变量，是jvm在类加载阶段就进行了初始化，jvm保证了此操作的线程安全性
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
// 问题5：为什么提供静态方法而不是直接将 INSTANCE 设置为 public, 说出你知道的理由。
//1.提供更好的封装性；2.提供范型的支持
public static Singleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
public Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
}
实现2： 饿汉式
// 问题1：枚举单例是如何限制实例个数的：创建枚举类的时候就已经定义好了，每个枚举常量其实就是枚举类的一个静态成员变量
// 问题2：枚举单例在创建时是否有并发问题：没有，这是静态成员变量
// 问题3：枚举单例能否被反射破坏单例：不能
// 问题4：枚举单例能否被反序列化破坏单例：枚举类默认实现了序列化接口，枚举类已经考虑到此问题，无需担心破坏单例
// 问题5：枚举单例属于懒汉式还是饿汉式：饿汉式
// 问题6：枚举单例如果希望加入一些单例创建时的初始化逻辑该如何做：加构造方法就行了
enum Singleton {
INSTANCE;
}
实现3：懒汉式
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
// 分析这里的线程安全, 并说明有什么缺点：synchronized加载静态方法上，可以保证线程安全。缺点就是锁的范围过大
public static synchronized Singleton getInstance() {
if( INSTANCE != null ){
return INSTANCE;
}
INSTANCE = new Singleton();
return INSTANCE;
}
}
实现4：DCL 懒汉式
public final class Singleton {
private Singleton() { }
// 问题1：解释为什么要加 volatile ?为了防止重排序问题
private static volatile Singleton INSTANCE = null;
// 问题2：对比实现3, 说出这样做的意义：提高了效率
public static Singleton getInstance() {
if (INSTANCE != null) {
return INSTANCE;
}
synchronized (Singleton.class) {
// 问题3：为什么还要在这里加为空判断, 之前不是判断过了吗？这是为了第一次判断时的并发问题。
if (INSTANCE != null) { // t2
return INSTANCE;
}
INSTANCE = new Singleton();
return INSTANCE;
}
}
}
实现5：
public final class Singleton {
private Singleton() { }
// 问题1：属于懒汉式还是饿汉式：懒汉式，这是一个静态内部类。类加载本身就是懒惰的，在没有调用getInstance方法时是没有执行LazyHolder内部类的类加载操作的。
private static class LazyHolder {
static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
// 问题2：在创建时是否有并发问题，这是线程安全的，类加载时，jvm保证类加载操作的线程安全
public static Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}