4.volatile

volatile自身的特性

1. 可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。volatile修饰变量对可见性的影响所产生的价值远远高于变量本身，线程A写volatile变量后，线程B读该变量，那么所有A执行写操作执行可见的共享变量的值，在B读取volatile变量后也成为对B可见的了。
2. 有序性：volatile会通过禁止指令重排序来保证有序性
3. 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性（哪怕它是64位的long或者double），但像volatile++这种复合操作不具有原子性

volatile的内存可见性实现原理

导致内存不可见的原因是 线程的本地缓存和内存之间的值不一致导致的，而volatile的读写实现了 缓存一致性（MESI协议） ，其底层原因是因为volatile变量进行写操作时会多一行Lock前缀的汇编代码，使得：

1. 当前CPU缓存行的数据写回到系统内存

2. 并通过总线让其他CPU里缓存了该内存地址的本地缓存无效（I）

3. 追问：如何通过总线让其他缓存了该内存的CPU本地缓存无效（I）？

   答：每个CPU会通过嗅探总线上的数据来查看本地缓存的数据是否过期，一旦CPU发现本地缓存对应的内存被修改，就会将本地缓存设为 无效（I）状态，此后CPU要再想获取这个数据就必须重新填充本地缓存，彼时会将缓存行标记为 共享（S）状态。

volatile的有序性实现原理

导致有序性问题的原因是 指令重排序，而volatile变量会使编译器再生成字节码时插入内存屏障来禁止指令重排序。

1. 内存屏障的作用是保证特定操作的执行顺序：
   1. 对于Volatile变量进行写操作时，会在写操作后加上一个store屏障指令，将本地缓存中的共享变量值立刻刷新到内存中，并且不会将store屏障之前的代码排在store屏障之后
   2. 对于Volatile变量进行读操作时，会在读操作前面加上一个load屏障指令，马上读取主内存中的数据，并且不会将load屏障之后的代码排在load屏障之前

单例模式中如何使用Volatile？

追问：工作中哪里用到Volatile了？

答：在多线程下保证单例模式，volatile关键字必不可少，否则即使使用DCL双检锁也会由于指令重排序导致有序性问题，可能引发空指针异常。

手写一个volatile的单例模式

volatile+DCL双检锁可以实现线程安全的单例模式，但是不代表单例是安全的。

追问：那Spring容器的bean是线程安全的吗？

答：Spring容器本身并没有为bean提供线程安全的策略。

1. 默认情况下，bean的Scope是单例的，
   1. 如果单例bean是一个无状态的bean，线程只能对它做查询操作，那这个bean是安全的，例如SpringMVC中的Controller、Service和Dao；
   2. 如果是有状态的bean，那在并发环境下就会导致竞态条件（原子性问题）和数据竞争（可见性问题），就不是线程安全的。
2. 原型bean不会产生竞争，所以是线程安全的。

public class VolatileSingleton {
    /**
     * 私有化构造方法、只会构造一次
     */
    private VolatileSingleton(){
        System.out.println("构造方法");
    }

    private  static volatile VolatileSingleton instance = null;

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

    public static void main(String[] args) {
        // new 30个线程，观察构造方法一共被调用几次
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            new Thread(()->{
                VolatileSingleton.getInstance();
            }).start();
        }
        // 输出：构造方法
    }
}