前言
volatile 关键字虽然从字面上理解起来比较简单，但是要用好不是一件容易的事情。由于 volatile 关键字是与 Java 的内存模型有关的，因此在讲述volatile 关键之前，我们先来了解一下与内存模型相关的概念和知识，然后分析了 volatile 关键字的实现原理，最后给出了几个使用 volatile 关键字的场景。
一，内存模型的相关概念
大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。
当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
缓存一致性问题
多线程编程中，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存，那么就可能存在缓存一致性问题。为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：
通过在总线加LOCK#锁的方式；
通过缓存一致性协议。
加锁会导致效率下降，所以就出现缓存一致性：最出名的就是 Intel 的 MESI 协议，MESI 协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。
它核心思想是：当 CPU 写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他 CPU 中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他 CPU 将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他 CPU 需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
二，并发编程中的三个概念
在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念：
原子性
即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
可见性
可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性
即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
指令重排
处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。
三，Java内存模型（Java Memory Model，JMM）
在 Java 虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型 JMM）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
那么 Java 内存模型规定了哪些东西呢，它定义了程序中变量的访问规则，往大一点说是定义了程序执行的次序。 注意，为了获得较好的执行性能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说，在java内存模型中，也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。
Java 内存模型规定所有的变量都是存在主存当中，每个线程都有自己的工作内存。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
那么Java语言 本身对 原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？
原子性
Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。
可见性
Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性。当一个共享变量被 volatile 修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
有序性
在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
在 Java 里面，可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性；也可以通过 volatile 关键字来保证一定的有序性。
happens-before
另外，Java内存模型具备一些先天的有序性，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 先行发生原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。
下面就来具体介绍下 happens-before 原则（先行发生原则）：
① 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
② 锁定规则：一个 unLock 操作先行发生于后面对同一个锁额 lock 操作；
③ volatile 变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
④ 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以得出操作A先行发生于操作C；
⑤ 线程启动规则：Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每个一个动作；
⑥ 线程中断规则：对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；
⑦ 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过 Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值手段检测到线程已经终止执行；
⑧ 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的 finalize()方法的开始。
四，内存屏障 Memory Barrier
1，可见性
写屏障（sfence）保证在该屏障之前，对共享变量的改动，都同步到主内存当中；
读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主内存中的最新数据。
2，有序性
写屏障会确保指令重排时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后；
读屏障会确保指令重排时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前。
五，深入剖析volatile关键字
在前面讲述了很多东西，其实都是为讲述volatile关键字作铺垫，那么接下来我们就进入主题。
1，volatile关键字的两层语义
一个共享变量被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
① 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
②禁止进行指令重排序。
2，volatile不能保证原子性
3，volatile保证有序性吗？
volatile能在一定程度上保证有序性：
① 当程序执行到 volatile 变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
② 在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
4，如何保证可见性
写屏障（sfence）保证在该屏障之前，对共享变量的改动，都同步到主内存当中。
5，如何保证有序性
写屏障会确保指令重排时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后。
6，volatile 的原理和实现机制
下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》：
观察加入 volatile 关键字和没有加入 volatile 关键字时所生成的汇编代码发现，加入 volatile 关键字时，会多出一个 lock 前缀指令。
lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
- 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
- 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
- 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
六，使用volatile关键字的场景
1，状态标记；
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
2，双重检查 double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
评论区