目录：
1.volatile是什么
2.volatile的作用
3.volatile的原理
4.volatile与synchronized有什么区别
5.并发编程中的三个概念
6.使用volatile关键字的场景
7.CPU缓存的相关知识
8.学习成果检查
9.扩展-# Java 中 static 和 volatile 关键字的区别
10.扩展阅读

1.volatile是什么

volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制，在并发编程中，它也扮演着比较重要的角色。同synchronized相比（synchronized通常称为重量级锁），volatile更轻量级，相比使用synchronized所带来的庞大开销，倘若能恰当的合理的使用volatile，自然是美事一桩。
Java语言规范对volatile的定义如下：
Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。
上面比较绕口，通俗点讲就是说一个变量如果用volatile修饰了，则Java可以确保所有线程看到这个变量的值是一致的，如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

2.volatile的作用

2.1.volatile保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）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。

2.2.volatile不能确保原子性

原因：自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。
解决方案：可以通过synchronized或lock，进行加锁，来保证操作的原子性。也可以通过AtomicInteger。
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

2.3.volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
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变量的读操作或者写操作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。

3.volatile的原理

3.1.可见性

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

指令重排：指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序员带来问题。

3.2.有序性

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），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。

3.3 lock前缀

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：
　　1）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；（有序性）
　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；（可见性）
　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。（可见性）

4.volatile与synchronized有什么区别

5.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：

5.1.原子性

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。

范例1-银行账户转账问题：

比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。

试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。
然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。
这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？

范例2：32位的变量赋值过程:

i = 9
假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

5.2.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。

举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;

//线程2执行的代码
j = i;

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

5.3.有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，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。

比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。

但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子1：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：
语句2->语句1->语句3->语句4

那么可不可能是这个执行顺序呢：
语句2->语句1->语句4->语句3

不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子2：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);    

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。

从上面可以看出，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。

6.使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

6.1.状态标记量

    volatile boolean flag = false;
     
    while(!flag){
        doSomething();
    }
     
    public void setFlag() {
        flag = true;
    }

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将flag变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
　　那么当线程2更改了flag变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对flag变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：
　　第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；
　　第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；
　　第三：由于线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，所以线程1再次读取变量flag的值时会去主存读取。
　　那么在线程2修改flag值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。
　　那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

    volatile boolean inited = false;
    //线程1:
    context = loadContext();  
    inited = true;            
     
    //线程2:
    while(!inited ){
    sleep()
    }
    doSomethingwithconfig(context);

解释参考5.3的例子2

6.2.单例模式中的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;
    }
}

为什么要使用volatile 修饰instance？
主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:
1.给 instance 分配内存
2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

7.CPU缓存的相关知识

7.1.CPU缓存

CPU缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多，举个例子：

• 一次主内存的访问通常在几十到几百个时钟周期
• 一次L1高速缓存的读写只需要1~2个时钟周期
• 一次L2高速缓存的读写也只需要数十个时钟周期

这种访问速度的显著差异，导致CPU可能会花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。

基于此，现在CPU大多数情况下读写都不会直接访问内存（CPU都没有连接到内存的管脚），取而代之的是CPU缓存，CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小得多但是交换速度却比内存快得多。而缓存中的数据是内存中的一小部分数据，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先从缓存中读取，从而加快读取速度。

按照读取顺序与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可分为：

• 一级缓存：简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存。
• 二级缓存：简称L2 Cache，分内部和外部两种芯片，内部芯片二级缓存运行速度与主频相同，外部芯片二级缓存运行速度则只有主频的一半。
• 三级缓存：简称L3 Cache，部分高端CPU才有。

每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也相对递增。

当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取。

7.2.使用CPU缓存带来的问题

用一张图表示一下 CPU –> CPU缓存 –> 主内存 数据读取之间的关系：

image

当系统运行时，CPU执行计算的过程如下：

1. 程序以及数据被加载到主内存
2. 指令和数据被加载到CPU缓存
3. CPU执行指令，把结果写到高速缓存
4. 高速缓存中的数据写回主内存

如果服务器是单核CPU，那么这些步骤不会有任何的问题，但是如果服务器是多核CPU，那么问题来了，以Intel Core i7处理器的高速缓存概念模型为例（图片来自《深入理解计算机系统》）：

image

试想下面一种情况：

1. 核0读取了一个字节，根据局部性原理，它相邻的字节同样被被读入核0的缓存
2. 核3做了上面同样的工作，这样核0与核3的缓存拥有同样的数据
3. 核0修改了那个字节，被修改后，那个字节被写回核0的缓存，但是该信息并没有写回主存
4. 核3访问该字节，由于核0并未将数据写回主存，数据不同步

为了解决这一问题，CPU制造商规定了一个缓存一致性协议。

7.3.缓存一致性协议

每个CPU都有一级缓存，但是，我们却无法保证每个CPU的一级缓存数据都是一样的。 所以同一个程序，CPU进行切换的时候，切换前和切换后的数据可能会有不一致的情况。那么这个就是一个很大的问题了。 如何保证各个CPU缓存中的数据是一致的。就是CPU的缓存一致性问题。

7.4.总线锁

一种处理一致性问题的办法是使用Bus Locking（总线锁）。当一个CPU对其缓存中的数据进行操作的时候，往总线中发送一个Lock信号。 这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。

但是用锁的方式总是避不开性能问题。总线锁总是会导致CPU的性能下降。所以出现另外一种维护CPU缓存一致性的方式，MESI。

7.5.MESI

MESI是保持一致性的协议。它的方法是在CPU缓存中保存一个标记位，这个标记位有四种状态:

• M: Modify，修改缓存，当前CPU的缓存已经被修改了，即与内存中数据已经不一致了；
• E: Exclusive，独占缓存，当前CPU的缓存和内存中数据保持一致，而且其他处理器并没有可使用的缓存数据；
• S: Share，共享缓存，和内存保持一致的一份拷贝，多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段；
• I: Invalid，失效缓存，这个说明CPU中的缓存已经不能使用了。

CPU的读取遵循下面几点：

• 如果缓存状态是I，那么就从内存中读取，否则就从缓存中直接读取。
• 如果缓存处于M或E的CPU读取到其他CPU有读操作，就把自己的缓存写入到内存中，并将自己的状态设置为S。
• 只有缓存状态是M或E的时候，CPU才可以修改缓存中的数据，修改后，缓存状态变为M。

这样，每个CPU都遵循上面的方式则CPU的效率就提高上来了。

8.学习成果检查

面试官：Java并发这块了解的怎么样？说说你对volatile关键字的理解。
面试官：能不能详细说下什么是内存可见性，什么又是指令重排呢？
面试官：那你具体说说并发编程的三个特性呢？
面试官：volatile关键字如何满足并发编程的三大特性的？
面试官：volatile的两点内存语义能保证可见性和有序性，但是能保证原子性吗？
面试官：那你知道volatile底层的实现机制？
面试官：你在哪里会使用到volatile，举两个例子呢？
面试官：单例模式的几种实现方式？能手写一下代码吗？

9.Java 中 static 和 volatile 关键字的区别

static指的是类的静态成员，实例间共享
volatile跟Java的内存模型有关，线程执行时会将变量从主内存加载到线程工作内存，建立一个副本，在某个时刻写回。valatile指的每次都读取主内存的值，有更新则立即写回主内存。
理解了这两点，逐句再来解释你的困惑：

“既然static保证了唯一性”：static保证唯一性，指的是static修饰的静态成员变量是唯一的，多个实例共享这唯一一个成员。
“那么他对多个线程来说都是可见的啊”：这里，static其实跟线程没太大关系，应该说对多个对象实例是可见的。你说对多个线程可见，虽然没什么毛病，因为静态变量全局可见嘛，但是把这个理解转到线程的上线文中是困惑的起因。
“volatile保证了线程之间的可见性”：因为线程看到volatile变量会去读取主内存最新的值，而不是自个一直在那跟内部的变量副本玩，所以保证了valatile变量在各个线程间的可见性。
“那么修改的时候只要是原子操作，那么就会保证它的唯一性了吧”：此时你说的“唯一性”，指的是各个线程都能读取到唯一的最新的主内存变量，消除了线程工作内存加载变量副本可能带来的线程之间的“不唯一性”。这里“唯一性”的含义跟第一句说的“唯一性”是不一样的。
“这两个在我理解上我觉得差不多。”：其实解决问题的“场景”是完全不一样的。
造成理解困惑最大的原因在于，这两个场景略有类似，以致混淆了：
场景1：各个类的实例共享唯一一个类静态变量
场景2：各个线程共同读取唯一的最新的主内存变量的值，只保证可见性，它不足以保证数据的同步性。

参考http://blog.sina.com.cn/s/blog_4e1e357d0101i486.html

1. volatile是告诉编译器,每次取这个变量的值都需要从主存中取,而不是用自己线程工作内存中的缓存.
2. static 是说这个变量,在主存中所有此类的实例用的是同一份,各个线程创建时需要从主存同一个位置拷贝到自己工作内存中去(而不是拷贝此类不同实例中的这个变量的值),也就是说只能保证线程创建时,变量的值是相同来源的,运行时还是使用各自工作内存中的值,依然会有不同步的问题.

10.扩展阅读

Java多线程——线程范围内共享变量和ThreadLocal

Java多线程共享变量控制

感谢网友的分享：
http://www.importnew.com/24082.html
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
https://blog.csdn.net/wanghai__/article/details/6260178
http://www.techug.com/post/java-volatile-keyword.html