深入淺析Java中的volatile？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，這篇文章詳細(xì)介紹了相對(duì)應(yīng)的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個(gè)問(wèn)題的小伙伴找到更簡(jiǎn)單易行的方法。
前言
volatile相關(guān)的知識(shí)其實(shí)自己一直都是有掌握的，能大概講出一些知識(shí)，例如：它可以保證可見(jiàn)性；禁止指令重排。這兩個(gè)特性張口就來(lái)，但要再往深了問(wèn)，具體是如何實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性的，以及在什么場(chǎng)景下使用volatile，為什么不直接用synchronized這種深入和擴(kuò)展相關(guān)的問(wèn)題，就回答的不好了。因?yàn)?code>volatile是面試必問(wèn)的知識(shí)，所以這次準(zhǔn)備把這部分知識(shí)也給啃掉。
系統(tǒng)處理效率與Java內(nèi)存模型
在計(jì)算機(jī)中，每條程序指令都是在CPU中執(zhí)行的，而CPU執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)都是臨時(shí)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的，但是CPU的執(zhí)行速度遠(yuǎn)超內(nèi)存的讀取速度，如果所有的CPU指令都是通過(guò)內(nèi)存來(lái)讀取數(shù)據(jù)的話那么將大大的降低了系統(tǒng)的處理效率，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不得不加入一層或多層讀寫速度盡可能接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存（Cache）來(lái)作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖。
將運(yùn)算需要使用的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后，在從緩存同步回內(nèi)存之中，這樣處理器就無(wú)須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。
雖然說(shuō)增加了高速緩存提高了CPU的處理效率，但是也帶來(lái)了新的問(wèn)題 ：
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是多核CPU，一開(kāi)始，內(nèi)存中的變量A的值是1，第一個(gè)CPU讀取了數(shù)據(jù)，第二個(gè)CPU也將數(shù)據(jù)讀取到了自己的高速緩存當(dāng)中，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)CPU對(duì)變量A進(jìn)行加1操作時(shí)，變量A的值變成了2，然后將將變量A的值寫回內(nèi)存中，這時(shí)第二個(gè)CPU也對(duì)變量A進(jìn)行加1操作時(shí)，由于第二個(gè)CPU中高速緩存中的值還是1，所以加1操作后的結(jié)果為2，然后第二個(gè)CPU又將變量A的值同步回內(nèi)存中，這樣就導(dǎo)致執(zhí)行了兩次加1操作后，變量A的值最終是2，而不是3。
這種被多個(gè)CPU訪問(wèn)的變量，通常稱為共享變量。
而產(chǎn)生的上面的問(wèn)題，就是引入了高速緩存后的，主內(nèi)存和緩存內(nèi)容不一致的問(wèn)題。
因?yàn)槊總€(gè)處理器有自己的高速緩存，但是它們又共享同一塊主內(nèi)存，所以必然會(huì)出現(xiàn)主內(nèi)存不知該以哪個(gè)高速緩存中的變量為準(zhǔn)的情況。
上面這個(gè)緩存不一致的問(wèn)題，我們先記下來(lái)，繼續(xù)來(lái)看Java內(nèi)存模型，其實(shí)Java內(nèi)存模型描述的上面講的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速緩存和內(nèi)存之間的關(guān)系類似。
Java內(nèi)存模型描述了，各種變量的訪問(wèn)規(guī)則，以及將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存讀取變量的這種底層細(xì)節(jié)。
在Java內(nèi)存模型中關(guān)注的變量都是共享變量（實(shí)例變量、類變量）。
所有的共享變量都是存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的，但是每個(gè)線程在訪問(wèn)變量的時(shí)候也都會(huì)在自己的工作內(nèi)存（處理器高速緩存）中保留一份共享變量的副本。
Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，簡(jiǎn)稱JMM）規(guī)定:
線程對(duì)變量的所有操作（讀，寫）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接操作主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
不同線程之間 也不能直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值傳遞必須通過(guò)主內(nèi)存進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳遞。
在JMM中工作內(nèi)存和主內(nèi)存的關(guān)系如下圖：
Volatile的可見(jiàn)性（保證立即可見(jiàn)）
繼續(xù)我們上面的緩存一致性的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題，在Java內(nèi)存模型中，就是可見(jiàn)性的問(wèn)題，即一個(gè)線程修改了共享變量的值，對(duì)另一個(gè)線程來(lái)說(shuō)是不是立即可見(jiàn)的。如果不是立即可見(jiàn)的，那么就會(huì)出現(xiàn)緩存一致性的問(wèn)題，如果是立即可見(jiàn)的，那么另一個(gè)線程在進(jìn)行操作的時(shí)候，拿到的變量值就是新的。就可以解決可見(jiàn)性的問(wèn)題。
那么怎么解決可見(jiàn)性問(wèn)題呢？
將共享變量加鎖，無(wú)論是synchronized還是Lock都可以，加鎖達(dá)到的目的是在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)線程能對(duì)共享變量進(jìn)行操作，就是說(shuō)，共享變量從讀取到工作內(nèi)存到更新值后，同步回主內(nèi)存的過(guò)程中，其他線程是操作不了這個(gè)變量的。這樣自然就解決了可見(jiàn)性的問(wèn)題了，但是這樣的效率比較低，操作不了共享變量的線程就只能阻塞。
當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾后，會(huì)保證每個(gè)線程將變量修改后的值立即同步回主內(nèi)存中，當(dāng)其他線程有需要讀取變量時(shí)會(huì)讀取到新的變量值。
那么volatile做了些什么操作就能解決可見(jiàn)性的問(wèn)題呢？
被volatile修飾的變量，在被線程操作時(shí)，會(huì)有這樣的機(jī)制：
就是線程對(duì)變量操作時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中讀取到自己的工作內(nèi)存中，當(dāng)線程對(duì)變量進(jìn)行了修改后，那么其他已經(jīng)讀取了此變量的線程中的變量副本就會(huì)失效，這樣其他線程在使用變量的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)失效，那么就會(huì)去主內(nèi)存中重新獲取，這樣獲取到的就只新的值了。
那么volatile這個(gè)關(guān)鍵字是如何實(shí)現(xiàn)這套機(jī)制的呢？
因?yàn)橐慌_(tái)計(jì)算機(jī)有多臺(tái)CPU，同一個(gè)變量，在多個(gè)CPU中緩存的值有可能不一樣，那么以誰(shuí)緩存的值為準(zhǔn)呢？
既然大家都有自己的值，那么各個(gè)CPU間就產(chǎn)生了一種協(xié)議，來(lái)保證按照一定的規(guī)律為準(zhǔn)，來(lái)確定共享變量的準(zhǔn)確值，這樣各個(gè)CPU在讀寫共享變量時(shí)都按照協(xié)議來(lái)操作。
這就是緩存一致性協(xié)議。
最著名的緩存一致性協(xié)議就是Intel的MESI了，說(shuō)MESI時(shí)，先解釋一下，緩存行：
緩存行（cache line）：CPU高速緩存的中可以分配的最小存儲(chǔ)單位，高速緩存中的變量都是存在緩存行中的。
MESI的核心思想就是，當(dāng)CPU對(duì)變量進(jìn)行寫操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，變量是共享變量，那么就會(huì)通知其他CPU中將該變量的緩存行設(shè)置為無(wú)效狀態(tài)。當(dāng)其他CPU在操作變量時(shí)發(fā)現(xiàn)此變量在的緩存行已經(jīng)無(wú)效，那么就會(huì)去主內(nèi)存中重新讀取新的變量。
那么其他CPU是如何發(fā)現(xiàn)變量被修改了的呢？
因?yàn)镃PU和其他部件的進(jìn)行通信是通過(guò)總線來(lái)進(jìn)行的，所以每個(gè)CPU通過(guò)嗅探總線上的傳播數(shù)據(jù)，來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己換成行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改后，就會(huì)將自己工作內(nèi)存中的緩存行設(shè)置成無(wú)須狀態(tài)，當(dāng)CPU對(duì)此變量進(jìn)行修改時(shí)會(huì)重新從系統(tǒng)主內(nèi)存中讀取變量。
Volatile的有序性（禁止指令重排）
一般來(lái)說(shuō)，我們寫程序的時(shí)候，都是要把先代碼從上往下寫，默認(rèn)的認(rèn)為程序是自頂向下順序執(zhí)行的，但是CPU為了提高效率，在保證最終結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，是會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重新排序的。就是說(shuō)寫在前的代碼不一定先執(zhí)行，在后面的也不一定晚執(zhí)行。
舉個(gè)例子：
int a = 5; // 代碼1 int b = 8; // 代碼2 a = a + 4; // 代碼3 int c = a + b; // 代碼4
重慶分公司
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