ConcurrentProgramming：volatile/构造方法溢出/禁止重排序

一、64位写入的原子性（Half Write）

如，对于一个long型变量的赋值和取值操作而言，在多线程场景下，线程A调用set(100)，线程B调用get()，在某些场景下，返回值可能不是100。

public class MyClass {
    
  private long a = 0;
    
  // 线程A调用set(100)
  public void set(long a) {
    this.a = a;
  }
 
  // 线程B调用get()，返回值一定是100吗？
  public long get() {
    return this.a;
  }
    
}
           

因为JVM的规范并没有要求64位的long或者double的写入是原子的。在32位的机器上，一个64位变量的写入可能被拆分成两个32位的写操作来执行。这样一来，读取的线程就可能读到“一半的值”。解决办法也很简单，在long前面加上volatile关键字。

二、 重排序：DCL问题

单例模式的线程安全的写法不止一种，常用写法为DCL（Double Checking Locking），如下所示：

public class Singleton {
    
  private static Singleton instance;
    
  public static Singleton getInstance() {
      
    if (instance == null) {
        
      synchronized(Singleton.class) {
          
        if (instance == null) {
          // 此处代码有问题
          instance = new Singleton();
       }
          
     }
        
   }
      
    return instance;
 }
    
}
           

上述的 instance = new Singleton(); 代码有问题：其底层会分为三个操作：

1. 分配一块内存。
2. 在内存上初始化成员变量。
3. 把instance引用指向内存。

对象的构造并不是“原子的”

在这三个操作中，操作2和操作3可能重排序，即先把instance指向内存，再初始化成员变量，因为二者并没有先后的依赖关系。此时，另外一个线程可能拿到一个未完全初始化的对象。这时，直接访问里面的成员变量，就可能出错。这就是典型的“构造方法溢出”问题。

解决办法也很简单，就是为instance变量加上volatile修饰。

volatile的三重功效：

• 64位写入的原子性
• 内存可见性
• 禁止重排序

三、 volatile实现原理

由于不同的CPU架构的缓存体系不一样，重排序的策略不一样，所提供的内存屏障指令也就有差异。

这里只探讨为了实现volatile关键字的语义的一种参考做法：

1. 在volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。保证volatile写操作不会和之前的写操作重排序。
2. 在volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。保证volatile写操作不会和之后的读操作重排序。
3. 在volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障+LoadStore屏障。保证volatile读操作不会和之后的读操作、写操作重排序。

具体到x86平台上，其实不会有LoadLoad、LoadStore和StoreStore重排序，只有StoreLoad一种重排序（内存屏障），也就是只需要在volatile写操作后面加上StoreLoad屏障。

四、JSR-133对volatile语义的增强

在JSR -133之前的旧内存模型中，一个64位long/ double型变量的读/ 写操作可以被拆分为两个32位的读/写操作来执行。从JSR -133内存模型开始 （即从JDK5开始），仅仅只允许把一个64位long/ double型变量的写操作拆分为两个32位的写操作来执行，任意的读操作在JSR -133中都必须具有原子性（即 任意读操作必须要在单个读事务中执行）。

这也正体现了Java对happen-before规则的严格遵守。