概述：本文主要介紹Java語言中的volatile關鍵字，內容涵蓋volatile的保證記憶體可見性、禁止指令重排等。

1 保證記憶體可見性

1.1 基本概念

  可見性是指執行緒之間的可見性，一個執行緒修改的狀態對另一個執行緒是可見的。也就是一個執行緒修改的結果，另一個執行緒馬上就能看到。

1.2 實現原理

  當對非volatile變數進行讀寫的時候，每個執行緒先從主記憶體拷貝變數到CPU快取中，如果計算機有多個CPU，每個執行緒可能在不同的CPU上被處理，這意味著每個執行緒可以拷貝到不同的CPU cache中。
  volatile變數不會被快取在暫存器或者對其他處理器不可見的地方，保證了每次讀寫變數都從主記憶體中讀，跳過CPU cache這一步。當一個執行緒修改了這個變數的值，新值對於其他執行緒是立即得知的。

2 禁止指令重排

2.1 基本概念

  指令重排序是JVM為了優化指令、提高程式執行效率，在不影響單執行緒程式執行結果的前提下，儘可能地提高並行度。指令重排序包括編譯器重排序和執行時重排序。
  在JDK1.5之後，可以使用volatile變數禁止指令重排序。針對volatile修飾的變數，在讀寫操作指令前後會插入記憶體屏障，指令重排序時不能把後面的指令重排序到記憶體屏

示例說明：
double r = 2.1; //(1) 
double pi = 3.14;//(2) 
double area = pi*r*r;//(3)

  雖然程式碼語句的定義順序為1->2->3，但是計算順序1->2->3與2->1->3對結果並無影響，所以編譯時和執行時可以根據需要對1、2語句進行重排序。

2.2 指令重排帶來的問題

如果一個操作不是原子的，就會給JVM留下重排的機會。

執行緒A中
{
    context = loadContext();
    inited = true;
}

執行緒B中
{
    if (inited) 
        fun(context);
}

  如果執行緒A中的指令發生了重排序，那麼B中很可能就會拿到一個尚未初始化或尚未初始化完成的context,從而引發程式錯誤。

2.3 禁止指令重排的原理

  volatile關鍵字提供記憶體屏障的方式來防止指令被重排，編譯器在生成位元組碼檔案時，會在指令序列中插入記憶體屏障來禁止特定型別的處理器重排序。

  JVM記憶體屏障插入策略：

1. 每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障；
2. 在每個volatile寫操作的後面插入一個StoreLoad屏障；
3. 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadLoad屏障；
4. 在每個volatile讀操作的後面插入一個LoadStore屏障。

2.4 指令重排在雙重鎖定單例模式中的影響

基於雙重檢驗的單例模式(懶漢型)

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();// 非原子操作
            }
        }

        return instance;
    }
}

instance= new Singleton()並不是一個原子操作，其實際上可以抽象為下面幾條JVM指令：

memory =allocate();    //1：分配物件的記憶體空間 
ctorInstance(memory);  //2：初始化物件 
instance =memory;     //3：設定instance指向剛分配的記憶體地址

上面操作2依賴於操作1，但是操作3並不依賴於操作2。所以JVM是可以針對它們進行指令的優化重排序的，經過重排序後如下：

memory =allocate();    //1：分配物件的記憶體空間 
instance =memory;     //3：instance指向剛分配的記憶體地址，此時物件還未初始化
ctorInstance(memory);  //2：初始化物件

  指令重排之後，instance指向分配好的記憶體放在了前面，而這段記憶體的初始化被排在了後面。線上程A執行這段賦值語句，在初始化分配物件之前就已經將其賦值給instance引用，恰好另一個執行緒進入方法判斷instance引用不為null，然後就將其返回使用，導致出錯。

解決辦法
  用volatile關鍵字修飾instance變數，使得instance在讀、寫操作前後都會插入記憶體屏障，避免重排序。

public class Singleton3 {
    private static volatile Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();
            }
        }
        return instance;
    }
}

3 適用場景

（1）volatile是輕量級同步機制。在訪問volatile變數時不會執行加鎖操作，因此也就不會使執行執行緒阻塞，是一種比synchronized關鍵字更輕量級的同步機制。
（2）volatile**無法同時保證記憶體可見性和原子性。加鎖機制既可以確保可見性又可以確保原子性，而volatile變數只能確保可見性**。
（3）volatile不能修飾寫入操作依賴當前值的變數。宣告為volatile的簡單變數如果當前值與該變數以前的值相關，那麼volatile關鍵字不起作用，也就是說如下的表示式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
（4）當要訪問的變數已在synchronized程式碼塊中，或者為常量時，沒必要使用volatile；
（5）volatile遮蔽掉了JVM中必要的程式碼優化，所以在效率上比較低，因此一定在必要時才使用此關鍵字。