如何驗(yàn)證volatile保證數(shù)據(jù)的可見性和有序性？

1、內(nèi)存可見性

首先，要明確一下這個(gè)內(nèi)存的含義，內(nèi)存包括共享主存和高速緩存，Volatile關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)的變量，是指CPU從緩存讀取數(shù)據(jù)時(shí)，要判斷數(shù)據(jù)是否有效，如果緩存沒有數(shù)據(jù)，則再?gòu)闹鞔孀x取，主存就不存在是否有效的說法了。而內(nèi)存一致性協(xié)議也是針對(duì)緩存的協(xié)議。

內(nèi)存可見性意思是：一個(gè)CPU核心對(duì)數(shù)據(jù)的修改，對(duì)其他CPU核心立即可見。

這句話拆開了理解，CPU修改數(shù)據(jù)，首先是對(duì)緩存的修改，然后再同步回主存，在同步回主存的時(shí)候，如果其他CPU也緩存了這個(gè)數(shù)據(jù)，就會(huì)導(dǎo)致其他CPU緩存上的數(shù)據(jù)失效，這樣，當(dāng)其他CPU再去它的緩存讀取這個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，就必須從主存重新獲取。

實(shí)現(xiàn)的原理一般都是基于CPU的MESI協(xié)議，其中E表示獨(dú)占Exclusive，S表示Shared，M表示Modify，I表示Invalid，如果一個(gè)核心修改了數(shù)據(jù)，那么這個(gè)核心的數(shù)據(jù)狀態(tài)就會(huì)更新成M，同時(shí)其他核心上的數(shù)據(jù)狀態(tài)更新成I，這個(gè)是通過CPU多核之間的嗅探機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。

但是，這樣是否就能保證多線程操作一個(gè)變量的時(shí)候，結(jié)果如我們預(yù)期呢？其實(shí)不然。

因?yàn)?，Volatile限定的是從緩存讀取時(shí)刻的校驗(yàn)，如果兩個(gè)CPU同時(shí)從各自緩存讀取一個(gè)變量n=1（此時(shí)，變量n在各個(gè)CPU緩存上都是有效的），并且同時(shí)修改了變量n=n+1，再寫回緩存，這個(gè)時(shí)候n的值等于2，而不是等于3。因此，在多線程操作共享變量（例如：計(jì)數(shù)器）的時(shí)候，正確的方式是使用同步或者Atomic工具類。

2、指令有序性

這個(gè)涉及到內(nèi)存屏障(Memory Barrier)，內(nèi)存屏障有兩個(gè)能力：

a、就像一套柵欄分割前后的代碼，阻止柵欄前后的沒有數(shù)據(jù)依賴性的代碼進(jìn)行指令重排序，保證程序在一定程度上的有序性。

b、強(qiáng)制把寫緩沖區(qū)/高速緩存中的臟數(shù)據(jù)等寫回主內(nèi)存，讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效，保證數(shù)據(jù)的可見性。

首先，指令并不是代碼行，指令是原子的，通過javap命令可以看到一行代碼編譯出來的指令，當(dāng)然，像int i=1;這樣的代碼行也是原子操作。

在單例模式中，Instance inst = new Instance();

這一句，就不是原子操作，它可以分成三步原子指令：

1，分配內(nèi)存地址；

2，new一個(gè)Instance對(duì)象；

3，將內(nèi)存地址賦值給inst；

CPU為了提高執(zhí)行效率，這三步操作的順序可以是123，也可以是132，如果是132順序的話，當(dāng)把內(nèi)存地址賦給inst后，inst指向的內(nèi)存地址上面還沒有new出來單例對(duì)象，這時(shí)候，如果就拿到inst的話，它其實(shí)就是空的，會(huì)報(bào)空指針異常。這就是為什么單例模式中，單例對(duì)象要加上volatile關(guān)鍵字。

內(nèi)存屏障有三種類型和一種偽類型：

a、lfence：即讀屏障(Load Barrier)，在讀指令前插入讀屏障，可以讓高速緩存中的數(shù)據(jù)失效，重新從主內(nèi)存加載數(shù)據(jù)，以保證讀取的是最新的數(shù)據(jù)。

b、sfence：即寫屏障(Store Barrier)，在寫指令之后插入寫屏障，能讓寫入緩存的最新數(shù)據(jù)寫回到主內(nèi)存，以保證寫入的數(shù)據(jù)立刻對(duì)其他線程可見。

c、mfence，即全能屏障，具備ifence和sfence的能力。

d、Lock前綴：Lock不是一種內(nèi)存屏障，但是它能完成類似全能型內(nèi)存屏障的功能。

---------------------