Java volatile如何防止指令重排序

voliate关键字的两个作用

1、保证变量的可见性：当一个被volatile关键字修饰的变量被一个线程修改的时候，其他线程可以立刻得到修改之后的结果。当一个线程向被volatile关键字修饰的变量写入数据的时候，虚拟机会强制它被值刷新到主内存中。当一个线程用到被volatile关键字修饰的值的时候，虚拟机会强制要求它从主内存中读取。
2、屏蔽指令重排序：指令重排序是编译器和处理器为了高效对程序进行优化的手段，它只能保证程序执行的结果时正确的，但是无法保证程序的操作顺序与代码顺序一致。这在单线程中不会构成问题，但是在多线程中就会出现问题。非常经典的例子是在单例方法中同时对字段加入voliate，就是为了防止指令重排序。

编译期重排序的典型就是通过调整指令顺序，做到在不改变程序语义的前提下，尽可能减少寄存器的读取、存储次数，充分复用寄存器的存储值。
比如我们有如下代码：

int x = 10;
int y = 9;
x = x+10;

假设编译器直接对上面代码进行编译，不进行重排序的话，我们简单分析一下执行这段代码的过程，首先加载x变量的内存地址到地址寄存器，然后会加载10到数据寄存器，然后CPU通过mov指令把10写入到地址寄存器中指定的内存地址中。然后加载y变量的内存地址到地址寄存器，加载9到数据寄存器，把9写入到内存地址中。进行第三行执行时，我们发现CPU需要重新加载x的内存地址和数据到寄存器，但如果我把第三行和第二行换一下顺序，那么执行过程中对于寄存器的存取就可以少很多次，同时对于程序结果没有任何影响。

另一个例子可以看下面的双重检查锁构造单例的代码

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) { // 1
            synchronized(Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton(); // 2
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

实际上当程序执行到2处的时候，如果我们没有使用volatile关键字修饰变量singleton，就可能会造成错误。这是因为使用new关键字初始化一个对象的过程并不是一个原子的操作，它分成下面三个步骤进行：

a. 给 singleton 分配内存
b. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
c. 将 singleton 对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton 就为非 null 了）

如果虚拟机存在指令重排序优化，则步骤b和c的顺序是无法确定的。如果A线程率先进入同步代码块并先执行了c而没有执行b，此时因为singleton已经非null。这时候线程B到了1处，判断singleton非null并将其返回使用，因为此时Singleton实际上还未初始化，自然就会出错。synchronized可以解决内存可见性，但是不能解决重排序问题。

但是特别注意在jdk 1.5以前的版本使用了volatile的双检锁还是有问题的。其原因是Java 5以前的JMM（Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成volatile也不能完全避免重排序，主要是volatile变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个volatile屏蔽重排序的问题在jdk 1.5 (JSR-133)中才得以修复，这时候jdk对volatile增强了语义，对volatile对象都会加入读写的内存屏障，以此来保证可见性，这时候2-3就变成了代码序而不会被CPU重排，所以在这之后才可以放心使用volatile。

最后编辑于：2019.10.22 20:25:22