Volatile禁止指令重排

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令重排，一般分为以下三种：

源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令

单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致

处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性

多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。

指令重排 - example 1

public void mySort() {int x = 11;int y = 12;x = x + 5;y = x * x;
}

按照正常单线程环境，执行顺序是 1 2 3 4

但是在多线程环境下，可能出现以下的顺序：

2 1 3 4
1 3 2 4

上述的过程就可以当做是指令的重排，即内部执行顺序，和我们的代码顺序不一样

但是指令重排也是有限制的，即不会出现下面的顺序

4 3 2 1

因为处理器在进行重排时候，必须考虑到指令之间的数据依赖性

因为步骤 4：需要依赖于 y的申明，以及x的申明，故因为存在数据依赖，无法首先执行

例子

int a,b,x,y = 0

线程1	线程2
x = a;	y = b;
b = 1;	a = 2;

x = 0; y = 0

因为上面的代码，不存在数据的依赖性，因此编译器可能对数据进行重排

线程1	线程2
b = 1;	a = 2;
x = a;	y = b;

x = 2; y = 1

这样造成的结果，和最开始的就不一致了，这就是导致重排后，结果和最开始的不一样，因此为了防止这种结果出现，volatile就规定禁止指令重排，为了保证数据的一致性

指令重排 - example 2

比如下面这段代码

/*** @author HuangHaiyang* @date 2020/08/18* @description: description* @version: 1.0.0*/
public class ResortSeqDemo {int a= 0;boolean flag = false;public void method01() {a = 1;flag = true;}public void method02() {if(flag) {a = a + 5;System.out.println("reValue:" + a);}}
}

我们按照正常的顺序，分别调用method01() 和 method02() 那么，最终输出就是 a = 6

但是如果在多线程环境下，因为方法1 和方法2，他们之间不能存在数据依赖的问题，因此原先的顺序可能是

a = 1;
flag = true;a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);

但是在经过编译器，指令，或者内存的重排后，可能会出现这样的情况

flag = true;a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);a = 1;

也就是先执行 flag = true后，另外一个线程马上调用方法2，满足 flag的判断，最终让a + 5，结果为5，这样同样出现了数据不一致的问题

为什么会出现这个结果：多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测。

这样就需要通过volatile来修饰，来禁止指令重排序保证线程安全性

Volatile针对指令重排做了啥

Volatile实现禁止指令重排优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象

首先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：

保证特定操作的顺序
保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）

由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化，如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。内存屏障另外一个作用是刷新出各种CPU的缓存数，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

也就是过在Volatile的写和读的时候，加入屏障，防止出现指令重排的

线程安全获得保证

工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题

可通过synchronized或volatile关键字解决，他们都可以使一个线程修改后的变量立即对其它线程可见

对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题

可以使用volatile关键字解决，因为volatile关键字的另一个作用就是禁止重排序优化

举例

package com.qcby.设计模式.single;/*** @author HuangHaiyang* @date 2020/07/07* @description: description* @version: 1.0.0*/
public class LazySafe {private LazySafe(){}//对象加上了volatile关键字是为了保证变量的可见性，防止指令重排序//第二个线程拿到的可能是半实列化的对象，所以要加volatile防止指令重排序private volatile static LazySafe lazySafe;public static  LazySafe getInstance(){if(lazySafe!=null){//双重判定synchronized (LazySafe.class){if(lazySafe!=null){lazySafe=new LazySafe();}}}return lazySafe;}
}

DCL（双端检锁）机制不一定是线程安全的，原因是有指令重排的存在，加入volatile可以禁止指令重排

原因是在某一个线程执行到第一次检测的时候，读取到 instance 不为null，instance的引用对象可能没有完成实例化。因为 instance = new SingletonDemo()；可以分为以下三步进行完成：

memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
instance(memory); // 2、初始化对象
instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址，此时instance != null

但是我们通过上面的三个步骤，能够发现，步骤2 和步骤3之间不存在数据依赖关系，而且无论重排前还是重排后，程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种重排优化是允许的。

memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址，此时instance != null，但是对象还没有初始化完成
instance(memory); // 2、初始化对象

这样就会造成什么问题呢？

也就是当我们执行到重排后的步骤2，试图获取instance的时候，会得到null，因为对象的初始化还没有完成，而是在重排后的步骤3才完成，因此执行单例模式的代码时候，就会重新在创建一个instance实例

指令重排只会保证串行语义的执行一致性（单线程），但并不会关系多线程间的语义一致性

所以当一条线程访问instance不为null时，由于instance实例未必已初始化完成，这就造成了线程安全的问题

所以需要引入volatile，来保证出现指令重排的问题，从而保证单例模式的线程安全性