1、volatile的作用

就我理解的而言，被volatile修饰的共享变量，就具有了以下两点特性：

• 保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;
• 禁止指令重排序

2、内存可见性

这个聊起来可就多了，我还是从Java内存模型说起吧。 Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型（JMM）,来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，让Java程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。简单来说，由于CPU执行指令的速度是很快的，但是内存访问的速度就慢了很多，相差的不是一个数量级，所以搞处理器的那群大佬们又在CPU里加了好几层高速缓存。 在Java内存模型里，对上述的优化又进行了一波抽象。JMM规定所有变量都是存在主存中的，类似于上面提到的普通内存，每个线程又包含自己的工作内存，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速缓存。所以线程的操作都是以工作内存为主，它们只能访问自己的工作内存，且工作前后都要把值在同步回主内存。 这么说得我自己都有些不清楚了，拿张纸画一下：

在线程执行时，首先会从主存中read变量值，再load到工作内存中的副本中，然后再传给处理器执行，执行完毕后再给工作内存中的副本赋值，随后工作内存再把值传回给主存，主存中的值才更新。 使用工作内存和主存，虽然加快的速度，但是也带来了一些问题。比如看下面一个例子：

i = i + 1;

假设i初值为0，当只有一个线程执行它时，结果肯定得到1，当两个线程执行时，会得到结果2吗？这倒不一定了。可能存在这种情况：

线程1： load i from 主存    // i = 0
        i + 1  // i = 1
线程2： load i from主存  // 因为线程1还没将i的值写回主存，所以i还是0
        i +  1 //i = 1
线程1:  save i to 主存
线程2： save i to 主存

如果两个线程按照上面的执行流程，那么i最后的值居然是1了。如果最后的写回生效的慢，你再读取i的值，都可能是0，这就是缓存不一致问题。 下面就要提到你刚才问到的问题了，JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，通过解决这三个问题，可以解除缓存不一致的问题。而volatile跟可见性和有序性都有关。

3、并发要处理的三个特性

• 原子性(Atomicity)

Java中，对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作，所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的，要做一定做完，要么就没有执行。 比如：

i = 2;
j = i;
i++;
i = i + 1;

上面4个操作中，i=2是读取操作，必定是原子性操作，j=i你以为是原子性操作，其实吧，分为两步，一是读取i的值，然后再赋值给j,这就是2步操作了，称不上原子操作，i++和i = i + 1其实是等效的，读取i的值，加1，再写回主存，那就是3步操作了。所以上面的举例中，最后的值可能出现多种情况，就是因为满足不了原子性。 这么说来，只有简单的读取，赋值是原子操作，还只能是用数字赋值，用变量的话还多了一步读取变量值的操作。有个例外是，虚拟机规范中允许对64位数据类型(long和double)，分为2次32为的操作来处理，但是最新JDK实现还是实现了原子操作的。 JMM只实现了基本的原子性，像上面i++那样的操作，必须借助于synchronized和Lock来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前，必然会把i的值刷回到主存的。

• 可见性(Visibility)

说到可见性，Java就是利用volatile来提供可见性的。 当一个变量被volatile修饰时，那么对它的修改会立刻刷新到主存，当其它线程需要读取该变量时，会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。 其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性，线程在释放锁之前，会把共享变量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的开销都更大。

• 有序性（Ordering）

JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的，但是规定了as-if-serial语义，即不管怎么重排序，程序的执行结果不能改变。比如下面的程序段：

double pi = 3.14;    //A
double r = 1;        //B
double s= pi * r * r;//C

上面的语句，可以按照A->B->C执行，结果为3.14,但是也可以按照B->A->C的顺序执行，因为A、B是两句独立的语句，而C则依赖于A、B，所以A、B可以重排序，但是C却不能排到A、B的前面。JMM保证了重排序不会影响到单线程的执行，但是在多线程中却容易出问题。 比如这样的代码:

int a = 0;
bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

假如有两个线程执行上述代码段，线程1先执行write，随后线程2再执行multiply，最后ret的值一定是4吗？结果不一定：

如图所示，write方法里的1和2做了重排序，线程1先对flag赋值为true，随后执行到线程2，ret直接计算出结果，再到线程1，这时候a才赋值为2,很明显迟了一步。 这时候可以为flag加上volatile关键字，禁止重排序，可以确保程序的有序性，也可以上重量级的synchronized和Lock来保证有序性,它们能保证那一块区域里的代码都是一次性执行完毕的。

另外，JMM具备一些先天的有序性,即不需要通过任何手段就可以保证的有序性，通常称为happens-before原则。
«JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification»定义了如下happens-before规则：
1.程序顺序规则： 一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作
2.监视器锁规则：对一个线程的解锁，happens-before于随后对这个线程的加锁
3.volatile变量规则： 对一个volatile域的写，happens-before于后续对这个volatile域的读
4.传递性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C
5.start()规则： 如果线程A执行操作ThreadB_start()(启动线程B) , 那么A线程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作
6.join()原则： 如果A执行ThreadB.join()并且成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
7.interrupt()原则： 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生
8.finalize()原则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始

第1条规则程序顺序规则是说在一个线程里，所有的操作都是按顺序的，但是在JMM里其实只要执行结果一样，是允许重排序的，这边的happens-before强调的重点也是单线程执行结果的正确性，但是无法保证多线程也是如此。

第2条规则监视器规则其实也好理解，就是在加锁之前，确定这个锁之前已经被释放了，才能继续加锁。 第3条规则，就适用到所讨论的volatile，如果一个线程先去写一个变量，另外一个线程再去读，那么写入操作一定在读操作之前。 第4条规则，就是happens-before的传递性。 后面几条就不再一一赘述了。

4、volatile底层的实现机制

如果把加入volatile关键字的代码和未加入volatile关键字的代码都生成汇编代码，会发现加入volatile关键字的代码会多出一个lock前缀指令。 lock前缀指令实际相当于一个内存屏障，内存屏障提供了以下功能：
1、重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置
2、使得本CPU的Cache写入内存
3、写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化其Cache，相当于让新写入的值对别的线程可见。

5、用代码证明volatile是非原子性的

package com.shenmazong;

public class DemoThread01 {
    private static int count = 0;

    public static void add() {
        count ++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建10个线程
        for (int idx = 0; idx < 10; idx++) {
            // 每个线程累加100次
            new Thread(()->{
                for (int ndx = 0; ndx < 1000; ndx++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完成
        while (Thread.activeCount()>2) {
            Thread.yield();
        }

        // 打印累加结果
        System.out.println("count="+count);
    }
}

通过运行一下命令可以查看add函数的字节码：

javap -c DemoThread01.class

从以上截图可以看出来，++这个操作不是原子操作，可以使用下面改造，实现数据的同步：

    public static synchronized void add() {
        count ++;
    }

使用原子类实现：

package com.shenmazong;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class DemoThread01 {
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    public static synchronized void add() {
//        count ++;   // 不是原子操作
        count.getAndIncrement();    // +1，使用CAS
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建10个线程
        for (int idx = 0; idx < 10; idx++) {
            // 每个线程累加100次
            new Thread(()->{
                for (int ndx = 0; ndx < 1000; ndx++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完成
        while (Thread.activeCount()>2) {
            Thread.yield();
        }

        // 打印累加结果
        System.out.println("count="+count);
    }
}

参考文章：

• https://www.techug.com/post/java-volatile-keyword.html