关于volatile与指令重排序的探讨
写在开头
在之前的学习我们了解到，为了充分利用缓存，提高程序的执行速度，编译器在底层执行的时候，会进行指令重排序的优化操作，但这种优化，在有些时候会带来 有序性 的问题。
那何为有序性呢？我们可以通俗理解为：程序执行的顺序要按照代码的先后顺序。 当然，之前我们还说过发生有序性问题时，我们可以通过给变量添加volatile修饰符进行解决。那么今天，我们继续学习，一起探讨一下volatile与指令重排之间的冤家路窄！
有序性问题
首先，我们来回顾一下之前写的一个关于有序性问题的测试类。
【代码示例1】
int a = 1;(1)
int b = 2;(2)
int c = a + b;(3)
上面的这段代码中，c变量依赖a，b的值，因此，在编译器优化重排时，c肯定会在a，b赋值以后执行，但a，b之间没有依赖关系，可能会发生重排序，但这种重排序即便到了多线程中依旧不会存在问题，因为即便重排对执行结果也无影响。
但有些时候，指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致，我们继续看下面这段代码：
【代码示例2】
public class Test {
private static int num = 0;
private static boolean ready = false;
//禁止指令重排，解决顺序性问题
//private static volatile boolean ready = false;
public static class ReadThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
if (ready) {//(1)
System.out.println(num + num);//(2)
}
System.out.println("读取线程...");
}
}
}
public static class WriteRead extends Thread {
@Override
public void run() {
num = 2;//(3)
ready = true;//(4)
System.out.println("赋值线程...");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReadThread rt = new ReadThread();
rt.start();
WriteRead wr = new WriteRead();
wr.start();
Thread.sleep(10);
rt.interrupt();
System.out.println("rt stop...");
}
}
我们定义了2个线程，一个用来求和操作，一个用来赋值操作，因为定义的是成员变量，所以代码（1）（2）（3）（4）之间不存在依赖关系，在运行时极可能发生指令重排序，如将（4）在（3）前执行，顺序为（4）（1）（3）（2），这时输出的就是0而不是4，但在很多性能比较好的电脑上，这种重排序情况不易复现。 这时，我们给ready 变量添加一个volatile关键字，就成功的解决问题了。
原因解析
volatile关键字可以禁止指令重排的原因主要有两个！
一、3 个 happens-before 规则的实现
- 对一个 volatile 变量的写 happens-before 任意后续对这个 volatile 变量的读；
- 一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
- happens-before 传递性，A happens-before B，B happens-before C，则 A happens-before C。
二、内存屏障
变量声明为 volatile 后，在对这个变量进行读写操作的时候，会通过插入特定的 内存屏障 的方式来禁止指令重排序。
内存屏障(Memory Barrier 又称内存栅栏，是一个 CPU 指令)，为了实现volatile 内存语义，volatile 变量的写操作，在变量的前面和后面分别插入内存屏障；volatile 变量的读操作是在后面插入两个内存屏障。
具体屏障规则：
- 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障；
- 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障；
- 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障；
- 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。
屏障说明：
- StoreStore：禁止之前的普通写和之后的 volatile 写重排序；
- StoreLoad：禁止之前的 volatile 写与之后的 volatile 读/写重排序；
- LoadLoad：禁止之后所有的普通读操作和之前的 volatile 读重排序；
- LoadStore：禁止之后所有的普通写操作和之前的 volatile 读重排序。
OK，知道了这些内容之后，我们再回头看代码示例2中，增加了volatile关键字后的执行顺序，在赋值线程启动后，执行顺序会变成（3）（4）（1）（2），这时打印的结果就为4啦！
volatile为什么不能保证原子性？
我们讲完了volatile修饰符保证可见性与有序性的内容，接下来我们思考另外一个问题，它能够保证原子性吗？为什么？我们依旧通过一段代码去证明一下！
【代码示例3】
public class Test {
//计数变量
static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//线程 1 给 count 加 10000
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j <10000; j++) {
count++;
}
System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束");
});
//线程 2 给 count 加 10000
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j <10000; j++) {
count++;
}
System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束");
});
//启动线程 1
t1.start();
//启动线程 2
t2.start();
//等待线程 1 执行完成
t1.join();
//等待线程 2 执行完成
t2.join();
//打印 count 变量
System.out.println(count);
}
}
我们创建了2个线程，分别对count进行加10000操作，理论上最终输出的结果应该是20000万对吧，但实际并不是，我们看一下真实输出。
输出：
thread t1 count 加 10000 结束
thread t2 count 加 10000 结束
14281
原因： Java 代码中 的 count++并非原子的，而是一个复合性操作，至少需要三条CPU指令：
- 指令 1：把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器
- 指令 2：在寄存器中执行 count + 1 操作
- 指令 3：+1 后的结果写入CPU缓存或内存
即使是单核的 CPU，当线程 1 执行到指令 1 时发生线程切换，线程 2 从内存中读取 count 变量，此时线程 1 和线程 2 中的 count 变量值是相等，都执行完指令 2 和指令 3，写入的 count 的值是相同的。从结果上看，两个线程都进行了 count++，但是 count 的值只增加了 1。这种情况多发生在cpu占用时间较长的线程中，若单线程对count仅增加100，那我们就很难遇到线程的切换，得出的结果也就是200啦。
要想解决也很简单，利用 synchronized、Lock或者AtomicInteger都可以，我们在后面的文章中会聊到的，请继续保持关注哦！
结尾彩蛋
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