pop指令的功能是什么?如何借助其他指令实现其功能_既然synchronized是万能的，为什么还需要volatile呢？...

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我们都知道synchronized其实是一种加锁机制&＃xff0c;那么既然是锁&＃xff0c;天然就具备以下几个缺点&＃xff1a;

1.1 有性能损耗

虽然在JDK 1.6中对synchronized做了很多优化&＃xff0c;如适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等&＃xff0c;但是他毕竟还是一种锁。

以上这几种优化&＃xff0c;都是尽量想办法避免对Monitor进行加锁&＃xff0c;但是&＃xff0c;并不是所有情况都可以优化的&＃xff0c;况且就算是经过优化&＃xff0c;优化的过程也是有一定的耗时的。

所以&＃xff0c;无论是使用同步方法还是同步代码块&＃xff0c;在同步操作之前还是要进行加锁&＃xff0c;同步操作之后需要进行解锁&＃xff0c;这个加锁、解锁的过程是要有性能损耗的。

关于二者的性能对比&＃xff0c;由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化&＃xff0c;使得我们很难量化这两者之间的性能差距&＃xff0c;但是我们可以确定的一个基本原则是&＃xff1a;volatile变量的读操作的性能小号普通变量几乎无差别&＃xff0c;但是写操作由于需要插入内存屏障所以会慢一些&＃xff0c;即便如此&＃xff0c;volatile在大多数场景下也比锁的开销要低。

1.2 产生阻塞

无论是同步方法还是同步代码块&＃xff0c;无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的。

基于Monitor对象&＃xff0c;当多个线程同时访问一段同步代码时&＃xff0c;首先会进入Entry Set&＃xff0c;当有一个线程获取到对象的锁之后&＃xff0c;才能进行The Owner区域&＃xff0c;其他线程还会继续在Entry Set等待。并且当某个线程调用了wait方法后&＃xff0c;会释放锁并进入Wait Set等待。

&＃xfffc;所以&＃xff0c;synchronize实现的锁本质上是一种阻塞锁&＃xff0c;也就是说多个线程要排队访问同一个共享对象。

而volatile是Java虚拟机提供的一种轻量级同步机制&＃xff0c;他是基于内存屏障实现的。说到底&＃xff0c;他并不是锁&＃xff0c;所以他不会有synchronized带来的阻塞和性能损耗的问题。

除了前面我们提到的volatile比synchronized性能好以外&＃xff0c;volatile其实还有一个很好的附加功能&＃xff0c;那就是禁止指令重排。

我们先来举一个例子&＃xff0c;看一下如果只使用synchronized而不使用volatile会发生什么问题&＃xff0c;就拿我们比较熟悉的单例模式来看。

我们通过双重校验锁的方式实现一个单例&＃xff0c;这里不使用volatile关键字&＃xff1a;

以上代码&＃xff0c;我们通过使用synchronized对Singleton.class进行加锁&＃xff0c;可以保证同一时间只有一个线程可以执行到同步代码块中的内容&＃xff0c;也就是说singleton &＃61; new Singleton()这个操作只会执行一次&＃xff0c;这就是实现了一个单例。

但是&＃xff0c;当我们在代码中使用上述单例对象的时候有可能发生空指针异常。这是一个比较诡异的情况。

我们假设Thread1 和 Thread2两个线程同时请求Singleton.getSingleton方法的时候&＃xff1a;

&＃xfffc;Step1 ,Thread1执行到第8行&＃xff0c;开始进行对象的初始化。 Step2 ,Thread2执行到第5行&＃xff0c;判断singleton &＃61;&＃61; null。 Step3 ,Thread2经过判断发现singleton &＃xff01;&＃61; null&＃xff0c;所以执行第12行&＃xff0c;返回singleton。 Step4 ,Thread2拿到singleton对象之后&＃xff0c;开始执行后续的操作&＃xff0c;比如调用singleton.call()。

以上过程&＃xff0c;看上去并没有什么问题&＃xff0c;但是&＃xff0c;其实&＃xff0c;在Step4&＃xff0c;Thread2在调用singleton.call()的时候&＃xff0c;是有可能抛出空指针异常的。

之所有会有NPE抛出&＃xff0c;是因为在Step3&＃xff0c;Thread2拿到的singleton对象并不是一个完整的对象。

我们这里来分析一下&＃xff0c;singleton &＃61; new Singleton();这行代码到底做了什么事情&＃xff0c;大致过程如下&＃xff1a;

① 虚拟机遇到new指令&＃xff0c;到常量池定位到这个类的符号引用。

② 检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。

③ 虚拟机为对象分配内存。

④ 虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。

⑤ 虚拟机对对象进行必要的设置。

⑥ 执行方法&＃xff0c;成员变量进行初始化。

⑦ 将对象的引用指向这个内存区域。

我们把这个过程简化一下&＃xff0c;简化成3个步骤&＃xff1a;

a、JVM为对象分配一块内存M

b、在内存M上为对象进行初始化

c、将内存M的地址复制给singleton变量

因为将内存的地址赋值给singleton变量是最后一步&＃xff0c;所以Thread1在这一步骤执行之前&＃xff0c;Thread2在对singleton&＃61;&＃61;null进行判断一直都是true的&＃xff0c;那么他会一直阻塞&＃xff0c;直到Thread1将这一步骤执行完。

但是&＃xff0c;以上过程并不是一个原子操作&＃xff0c;并且编译器可能会进行重排序&＃xff0c;如果以上步骤被重排成&＃xff1a;

a、JVM为对象分配一块内存M

c、将内存的地址复制给singleton变量

b、在内存M上为对象进行初始化

这样的话&＃xff0c;Thread1会先执行内存分配&＃xff0c;在执行变量赋值&＃xff0c;最后执行对象的初始化&＃xff0c;那么&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;在Thread1还没有为对象进行初始化的时候&＃xff0c;Thread2进来判断singleton&＃61;&＃61;null就可能提前得到一个false&＃xff0c;则会返回一个不完整的sigleton对象&＃xff0c;因为他还未完成初始化操作。

这种情况一旦发生&＃xff0c;我们拿到了一个不完整的singleton对象&＃xff0c;当尝试使用这个对象的时候就极有可能发生NPE异常。

那么&＃xff0c;怎么解决这个问题呢&＃xff1f;因为指令重排导致了这个问题&＃xff0c;那就避免指令重排就行了。

所以&＃xff0c;volatile就派上用场了&＃xff0c;因为volatile可以避免指令重排。只要将代码改成以下代码&＃xff0c;就可以解决这个问题&＃xff1a;

对singleton使用volatile约束&＃xff0c;保证他的初始化过程不会被指令重排。

看到这里可能有朋友会问了&＃xff0c;说到底上面问题还是个有序性的问题&＃xff0c;不是说synchronized是可以保证有序性的么&＃xff0c;这里为什么就不行了呢&＃xff1f;

首先&＃xff0c;可以明确的一点是&＃xff1a;synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。那么他是如何保证的有序性呢&＃xff1f;

这就要再把有序性的概念扩展一下了。Java程序中天然的有序性可以总结为一句话&＃xff1a;如果在本线程内观察&＃xff0c;所有操作都是天然有序的。如果在一个线程中观察另一个线程&＃xff0c;所有操作都是无序的。

以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句&＃xff0c;但是怎么理解呢&＃xff1f;周志明并没有详细的解释。这里我简单扩展一下&＃xff0c;这其实和as-if-serial语义有关。

as-if-serial语义的意思指&＃xff1a;不管怎么重排序&＃xff0c;单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化&＃xff0c;都必须遵守as-if-serial语义。

这里不对as-if-serial语义详细展开了&＃xff0c;简单说就是&＃xff0c;as-if-serial语义保证了单线程中&＃xff0c;不管指令怎么重排&＃xff0c;最终的执行结果是不能被改变的。

那么&＃xff0c;我们回到刚刚那个双重校验锁的例子&＃xff0c;站在单线程的角度&＃xff0c;也就是只看Thread1的话&＃xff0c;因为编译器会遵守as-if-serial语义&＃xff0c;所以这种优化不会有任何问题&＃xff0c;对于这个线程的执行结果也不会有任何影响。

但是&＃xff0c;Thread1内部的指令重排却对Thread2产生了影响。

那么&＃xff0c;我们可以说&＃xff0c;synchronized保证的有序性是多个线程之间的有序性&＃xff0c;即被加锁的内容要按照顺序被多个线程执行。但是其内部的同步代码还是会发生重排序&＃xff0c;只不过由于编译器和处理器都遵循as-if-serial语义&＃xff0c;所以我们可以认为这些重排序在单线程内部可忽略。

本文从两方面论述了volatile的重要性以及不可替代性&＃xff1a;

① 一方面是因为synchronized是一种锁机制&＃xff0c;存在阻塞问题和性能问题&＃xff0c;而volatile并不是锁&＃xff0c;所以不存在阻塞和性能问题。

② 另外一方面&＃xff0c;因为volatile借助了内存屏障来帮助其解决可见性和有序性问题&＃xff0c;而内存屏障的使用还为其带来了一个禁止指令重排的附件功能&＃xff0c;所以在有些场景中是可以避免发生指令重排的问题的。

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