今天來了解一下面試題：你對 volatile 了解多少。要了解 volatile 關鍵字，就得從 Java 內存模型開始。最后到 volatile 的原理。

一、Java 內存模型 (JMM)

大家都知道 Java 程序可以做到一次編寫然后到處運行。這個功勞要歸功于 Java 虛擬機。Java 虛擬機中定義了一種 Jva 內存模型（JMM）,用來屏蔽掉各種硬件和操作系統之間內存訪問差異，讓 Java 程序可以在各個平臺中訪問變量達到相同的效果。

JMM 的主要目標是定義了程序中變量的訪問規則，就是內存中存放和讀取變量的一些底層的細節。

JMM 規則

1. 變量包含實例字段，靜態字段，構成數組對象的元素，不包含局部變量和方法參數。
2. 變量都存儲在主內存上。
3. 每個線程在 CPU 中都有自己的 工作內存 ，工作內存保存了被該線程使用到的變量的主內存副本拷貝。
4. 線程對變量的所有操作都只能在工作內存，不能直接讀寫主內存的變量。
5. 不同線程之間無法之間訪問對方工作內存中的變量。

定義一個靜態變量: static int a = 1;

上面的一系列內存操作，在 JMM 中定義了 8 種操作來完成。

JMM 交互

主內存和工作內存之間的交互，JMM 定義了 8 種操作來完成，每個操作都是原子性的。

1. lock (鎖定): 作用于主內存變量，把一個變量標識為一條內存獨占的狀態。
2. unlock (解鎖): 作用于主內存變量，把 lock 狀態的變量釋放出來，釋放出來后才能被其他線程鎖定。
3. read (讀取): 作用于主內存變量，把一個變量的值從主內存傳輸到工作內存中。
4. load (載入): 作用于工作內存變量，把 read 操作的變量放入到工作內存副本中。
5. use (使用): 作用于工作內存變量，把工作內存中的變量的值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到需要這個變量的值的字節碼指令時都執行這個操作。
6. assgin (賦值): 作用于工作內存變量，把從執行引擎收到的值賦值給工作內存變量，每當虛擬機遇到需要賦值變量的值的字節碼指令時都執行這個操作。
7. store (存儲): 作用于工作內存變量，把工作內存中的一個變量值，傳送到主內存。
8. write (寫入): 作用于主內存變量，把 store 操作的從工作內存取到的變量寫入主內存變量中。

從上圖中可知，JMM 交互在一條線程中是不會出現任何的問題。但是當有兩條線程的時候，線程 1 已經修改了變量的值，但是并未刷新到主內存時，如果此時線程 2 讀取變量得到的值并不是線程 1 修改過的數據。

當引入線程 2 的時候 定義一個靜態變量: static int a = 1;

下面就可以用 volatile 關鍵字解決問題。

二、volatile

volatile 可以保證變量對所有線程可見，一條線程修改的值，其他線程對新值可以立即得知。還可以禁止指令的重排序。

可見性

修改內存變量后立刻同步到主內存中，其他的線程立刻得知得益于 Java 的先行發生原則

先行發生原則中的 volatile 原則：一個 volatile 變量的寫操作先行于后面發生的這個變量的讀操作

定義一個靜態變量: static int a = 1;

可見性原理

對 volatile 修飾的變量，在執行寫操作的時候會多出一條 lock 前綴的指令。JVM 將 lock 前綴指令發送給 CPU ，CPU 處理寫操作后將最后的值立刻寫回主內存，因為有 MESI 緩存一致性協議保證了各個 CPU 的緩存是一致的，所以各個 CPU 緩存都會對總線進行嗅探，本地緩存中的數據是否被別的線程修改了。

如果別的線程修改了共享變量的數據，那么 CPU 就會將本地緩存的變量數據過期掉，然后這個 CPU 上執行的線程在讀取共享變量的時候，就會從主內存重新加載最新的數據。

原子性

volatile 并不保證變量具有原子性。

public class VolatileTest implements Runnable {

    public static volatile int num;

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            num++;
        }

    }

    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            VolatileTest t = new VolatileTest();
            Thread t0 = new Thread(t);
            t0.start();
        }
        System.out.println(num);
        
    }
}

這段代碼的結果有可能不是 100000，有可能小于 100000。因為 num++ 并不是原子性的。

有序性

volatile 是通過禁止指令重排序來保證有序性。為了優化程序的執行效率 JVM 在編譯 Java 代碼的時候或者 CPU 在執行 JVM 字節碼的時候，不影響最終結果的前提下會對指令進行重新排序。

編譯器會根據以下策略將內存屏障插入到指令中，禁止重排序：

1. 在 volatile 寫操作之前插入 StoreStore 屏障。禁止和 StoreStore 屏障之前的普通寫操作不會進行重排序。
2. 在 volatile 寫操作之后插入 StoreLoad 屏障。禁止和 StoreLoad 屏障之后的 volatile 讀寫重排序。
3. 在 volatile 讀操作之后插入 LoadLoad 屏障。禁止和 LoadLoad 之后的普通讀和 volatile 讀重排序。
4. 在 volatile 寫操作之后插入 LoadStore 屏障。禁止和 LoadStore 屏障之后的普通寫操作重排序。