前言
java 中鼎鼎有名的 AQS 维护 private volatile int state 状态实现了用户态的锁。你如果不了解 volatile ，你看 AQS 的源码应该很难理解为什么Lock 能保证线程安全。
volatile 绝对是你打通 java 的任督二脉的首要条件。votaile 的特性很简单，可见性 和 禁止指令重拍，如果你自己写代码验证过这两个特点，接下来的内容应该对你帮助不大。
单例模式 中 懒汉式 的写法（DCL）是可以检验你对 volatile 的了解，这也是面试中被问频率较高的问题。
本文将会介绍如下内容：
-
volatile的可见性是什么，有什么用 -
volatile禁止指令重排是个什么东东 - 单例模式，饿汉式和懒汉式（DCL）的写法，分析 (DCL)
- 伪共享是什么，怎么避免伪共享
volatile
可见性
image-20200620152106412
计算机 CPU 与 主存 交互的逻辑大致如图，CPU 的运算速度是 主存 的 100 倍左右，为了避免 CPU 被主存拖慢速度。当CPU 需要一个数据的时候，会先从 L1 找，找到直接使用；L1 中未找到，会去 L2 中，L2 中找不到会去 L3 ，L3 找不到再去主存加载到 L3，再从 L3加载到 L2 ，再从 L2 加载到 L1；
这样提高的计算速度，同时也面临数据不一致问题。
主存中现在有一个变量 a=1，CPU1 a+1 之后，将结果 a=2 放入到 L1 去，但是后续代码计算还会用到 a，这时 CPU1 不会将 a=2 同步到主存中去。之后 CPU2 也从主存中取出变量 a（a=1），CPU2 将 a+2 的结果放入到 L1 中。这样就造成了数据不一致问题。缓存一致性协议就是为了解决这个问题的。
以上是计算机底层的实现原理，JAVA 在自己的虚拟机中执行，也有自己的内存模型，但不管怎么样，底层还是依靠的 CPU 指令集达到缓存一致性。JAVA 的内存模型屏蔽了不同平台缓存一致性协议的不同实现细节，定义了一套自己的内存模型。
image-20200620153620353
java 虚拟机中的变量全部储存在主存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存中的变量是主存变量的副本拷贝（使用那些变量，拷贝那些），每个线程只会操作工作内存的变量，当需要保存数据一致性的时候，线程会将工作内存中的变量同步到主存中去。volatile 就是让线程改变了 a 之后，回写到主存中，已达到缓存一致。
接下来代码体会一下，带不带 volatile 的区别。
public class VolatileDemo {
private static int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (a == 0) {
}
}, "线程 1").start();
System.out.println("修改 a=1 之前");
Thread.sleep(3000);
a = 1;
System.out.println("修改 a=1 之后");
}
}
运行这个程序，代码会一直运行，不会停止。这是因为 线程1 的工作内存 a 为 0，而主线程尽管修改了 a，但不会达到线程1重新加载主存中的变量 a。
public class VolatileDemo {
// 代码的区别只是加了 volatile
private static volatile int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (a == 0) {
}
}, "线程 1").start();
System.out.println("修改 a=1 之前");
Thread.sleep(3000);
a = 1;
System.out.println("修改 a=1 之后");
}
}
打印 修改 a=1 之后 程序停止。这是因为 volatile 标记的变量 a，主线程修改之后，并同步回主存，当其他的线程再使用变量 a 的时候，java 内存模型会让线程从主存加载变量 a。这就是 volatile 的 可见性 特点。
禁止指令重排
java 中的字节码最终都会编译成机器码（CPU 指令）执行，CPU 在保证单线程中执行结果不变的情况下，可以对指令进行指令重排已达到提高执行效率。
public class VolatileOrdering2 {
static int b = 1;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int a = 0;
b = 2;
a += 1;
System.out.println(a);
}
}
上述代码指令重排执行顺序的可能：
int a=0;
a+=1;
System.out.println(a);
int b = 2;
网上也有人写的 demo 验证可能会发生指令重排的小程序
public class T04_Disorder {
private static int x = 0, y = 0;
private static int a = 0, b =0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int i = 0;
for(;;) {
i++;
x = 0; y = 0;
a = 0; b = 0;
Thread one = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
//由于线程one先启动，下面这句话让它等一等线程two. 读着可根据自己电脑的实际性能适当调整等待时间.
//shortWait(100000);
a = 1;
x = b;
}
});
Thread other = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
y = a;
}
});
one.start();other.start();
one.join();other.join();
String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
if(x == 0 && y == 0) {
System.err.println(result);
break;
} else {
//System.out.println(result);
}
}
}
public static void shortWait(long interval){
long start = System.nanoTime();
long end;
do{
end = System.nanoTime();
}while(start + interval >= end);
}
}
假设指令重排不会发生，那么 result 将不会打印，实际循环 n 次之后会打印 result。
volatile 可以禁止指令重排。
image-20200620174915155
大致简单理解，加了内存屏障之后，代码分成 1，2，3部分。1 部分代码你怎么指令重排我不管，但是 1 部分代码执行完了之后，必须执行 2 部分代码，再执行 3 部分代码。
单例模式
饿汉式
public class SingletonDemo {
private static final SingletonDemo INSTANCE = new SingletonDemo();
private SingletonDemo() {
}
public static SingletonDemo getInstance() {
return SingletonDemo.INSTANCE;
}
}
一般项目中我们用这种用法即可，简单方便，也没谁闲着无聊利用别的手段给你打破单例。
懒汉式
饿汉式不管你用不用这个单例，只要类加载，单例就给你初始化好了。有的人就想让其懒加载，节约那可怜的内存，用的时候单例再实例化。
public class SingletonDemo1 {
private SingletonDemo1() {
}
public static SingletonDemo1 getInstance() {
System.out.println("SingletonDemo1Holder 类加载");
return SingletonDemo1Holder.getInstance();
}
private static class SingletonDemo1Holder {
private static final SingletonDemo1 INSTANCE = new SingletonDemo1();
public static SingletonDemo1 getInstance() {
return SingletonDemo1Holder.INSTANCE;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println(SingletonDemo1.getInstance());
System.out.println(SingletonDemo1.getInstance());
}
}
运行的时候加上这个 -XX:+TraceClassLoading 会打印加载的类。
image-20200620182245333
从图中我们可以看到调用 SingletonDemo1.getInstance() 的时候，才加载的 SingletonDemo1Holder 类，再实例化单例，达到懒加载的要求。
DCL 实现单例
以上单例的实现看着没啥技术含量，下面介绍一下 DCL (Double-checked locking)，双重检查锁的实现，这也是面试会问到的点。
public class SingletonDemo2 {
// 考点在这里，要不要加 volitale
private volatile static SingletonDemo2 INSTANCE;
private SingletonDemo2() {
}
public static SingletonDemo2 getInstance() {
if (INSTANCE == null) {
synchronized (SingletonDemo2.class) {
if (INSTANCE == null) {
// 对象实例化
INSTANCE = new SingletonDemo2();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
对象实例化实际可以分为几个步骤：
1、分配对象空间
2、初始化对象
3、将对象指向分配的内存空间
当指令重排的时候，2 和 3 会进行重排序，导致有的线程可能拿到未初始化的对象调用，存在风险问题。
伪共享
volatile 给我们带来了变量 可见性 的功能，但是当使用不当，会掉入另一个 伪共享 的坑。先看 demo.
public class VolatileDemo3 {
private static volatile Demo[] demos = new Demo[2];
// @sun.misc.Contended
private static final class Demo {
private volatile long x = 0L;
}
static {
demos[0] = new Demo();
demos[1] = new Demo();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[0].x = i;
}
});
Thread thread = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[1].x = i;
}
});
long start = System.nanoTime();
thread.start();
thread1.start();
thread.join();
thread1.join();
long end = System.nanoTime();
long runSecond = (end - start) / 100_0000;
System.out.println("运行毫秒:" + runSecond);
}
}
上述代码，存在伪共享的情况，我电脑运行 运行毫秒:2764
// 运行的时候，需要加上参数 -XX:-RestrictContended
public class VolatileDemo3 {
private static volatile Demo[] demos = new Demo[2];
@sun.misc.Contended
private static final class Demo {
private volatile long x = 0L;
}
static {
demos[0] = new Demo();
demos[1] = new Demo();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[0].x = i;
}
});
Thread thread = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[1].x = i;
}
});
long start = System.nanoTime();
thread.start();
thread1.start();
thread.join();
thread1.join();
long end = System.nanoTime();
long runSecond = (end - start) / 100_0000;
System.out.println("运行毫秒:" + runSecond);
}
}
上述代码，使用 @sun.misc.Contended 避免伪共享，我电脑运行 运行毫秒:813
相似的用法在 ConcurrentHashMap 可以看到，
@sun.misc.Contended
static final class CounterCell {
volatile long value;
CounterCell(long x) { value = x; }
}
上述代码展示了伪共享会降低代码的运行速度。什么是伪共享呢。
还记得 Cpu 中的 L1 L2 L3 吗，主存中的数据加载到 Cpu 的高速缓存的最小单位就是 缓存行（64 bit）。Cpu 的缓存失效，也是以缓存行为单位失效。
当 Cpu 从内存加载数据的时候，它会把可能会用到的数据和目标数据一起加载到 L1/L2/L3 中。上述代码的变量 private static volatile Demo[] demos = new Demo[2]; 这两个变量被一起加载到同一个缓存行中去了，一个线程修改了其中的 demos[0].x 导致缓存行失效，另一个线程修改 demos[1].x = i; 的时候发现缓存行失效，会去主存重新加载新的数据，两个线程相互影响导致不停从内存加载，运行速度自然降低了。
@sun.misc.Contended 作用就是让其单独在一个缓存行中去。
我们也可以通过对齐填充，而避免伪共享。
缓存行 通常都是 64 bit。而 long 为 8 个 bit，我们自己补充 7 个没有用 long 变量就可以让 x 和 7个没用的变量单独一个缓存行
public class VolatileDemo3 {
private static volatile Demo[] demos = new Demo[2];
private static final class Demo {
private volatile long x = 0L;
// 缓存行对齐填充的无用数据
private volatile long pading1, pading2, pading3, pading4, pading5, pading6, pading7;
}
static {
demos[0] = new Demo();
demos[1] = new Demo();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[0].x = i;
}
});
Thread thread = new Thread(() -> {
for (long i = 0; i < 10000_0000L; i++) {
demos[1].x = i;
}
});
long start = System.nanoTime();
thread.start();
thread1.start();
thread.join();
thread1.join();
long end = System.nanoTime();
long runSecond = (end - start) / 100_0000;
System.out.println("运行毫秒:" + runSecond);
}
}
本文由 张攀钦的博客 http://www.mflyyou.cn/ 创作。 可自由转载、引用，但需署名作者且注明文章出处。
如转载至微信公众号，请在文末添加作者公众号二维码。微信公众号名称：Mflyyou
网友评论