1. 前言

volatile这个关键字比较重要，尤其是在看多线程的时候，会经常出现。那么就来看下这个关键字到底有什么用。

volatile这个关键字的引入是为了线程安全，但是volatile不保证线程安全。

在多处理器的系统中(或者单处理器多核的系统)，每个处理器(每个核)都有自己的高速缓存，而它们有共享同一主内存(Main Memory)。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。 为此，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议进行操作，来维护缓存的一致性。

多核环境下，如果存在一个核的计算任务依赖另一个核 计的算任务的中间结果，而且对相关数据读写没做任何防护措施，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证，处理器最终得出的结果和我们逻辑得到的结果可能会大不相同。

线程安全有3个因素：可见性、有序性、原子性。线程安全是指在多线程情况下，对共享内存的使用，不会因为不同线程的访问和修改而发生不期望的情况。

2. volatile的作用：

volatile有3个作用

2.1 保证可见性；

使用volatile来解决多核CPU高速缓存导致的变量不同步问题。

本质上这是个硬件问题，其根源在于：CPU的高速缓存的读取速度远远快于主存（物理内存）。所以，CPU在读取一个变量的时候，会把数据先读取到缓存，这样下次再访问同一个数据的时候就可以直接从缓存读取了，显著提高了读取的性能。而多核CPU有多个这样的缓存。这就带来了问题，当某个CPU修改了变量，但是其他的CPU在修改前已经将该数据读取到了自己的缓存，当其他CPU再次读取数据的时候，它仍然回去自己的缓存区域中读取，此时读取到的值仍然是修改前的值，但实际上这个值已经做了修改，这里就涉及到了线程安全的要素：可见性。

可见性是指当多个线程在访问同一个变量时，如果其中一个线程修改了变量的值，那么其他线程应该能够立即看到修改后的值。

而volatile 的中文意思是不稳定的，易变的，用 volatile 修饰变量是为了保证变量的可见性。

volatile 的实现原理是内存屏障，其原理为：当CPU写数据时，如果发现一个现有变量在其他CPU存有副本，就会发出信号通知其他CPU将该副本对应的缓存行置为无效状态，当其他CPU读取到变量副本的时候，会发现该缓存行是无效的，然后就将重新从主存中读取。

简单案例：

private static int number = 0;


public static void main(String[] args) throws InterruptedException {


    new Thread(()->{
        System.out.println("进入子线程中，开始运行子线程...");
        while(number == 0){

        }
    }).start();

    TimeUnit.SECONDS.sleep(2); // 睡眠2秒

    number++;
    System.out.println("主线程中： number is " + number);
}

结果：

也就是说，在主线程中，当我们修改了number这个值，但是子线程中却不知道我们做了修改，也就是这个变量对其他线程不可见。这显然不应该。

前面提到使用volatile关键字可以保证可见性，这里测试下：

private static volatile Integer number = 0;

2.1.1 内存屏障

是被插入两个 CPU 指令之间的一种指令，有两个作用：

• 用来禁止处理器指令发生重排序（像屏障一样），从而保障有序性的。
• 该指令会使处理器写入、读取值之前，将主内存的值写入高速缓存，清空无效队列，从而保障可见性。

2.2 volatile 还可以解决指令重排序问题

Java中重排序通常是在编译器或运行时环境，为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。重排序分为两类：编译期重排序和运行期重排序，分别对应编译时和运行时环境。同样的，指令重排序不是随意重排序，它需要满足以下两个条件：

• 在单线程环境下不能改变程序运行的结果，即编译器（和处理器）需要保证程序能够遵守“串行” as-if-serial 属性。通俗地说，就是在单线程情况下，要给程序一个顺序执行的假象。即经过重排序的执行结果要与顺序执行的结果保持一致。
• 存在数据依赖关系的不允许重排序。

也就是说在CPU运行期间会对指令进行优化，没有依赖关系的指令，它们的顺序可能会被重排。在单线程环境中，发生重排是没有问题的，CPU保证了顺序不一定一致，但结果一定一致。

但是在多线程环境下，重排则会引起很大的问题，这涉及到线程安全的要素：有序性。

有序性是指程序执行的顺序应该按照代码的先后顺序执行。

具体一点解释，禁止重排序的规则如下：

• 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；
• 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。

2.3 volatile不能保证操作的原子性

原子性(Atomicity) 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。即使在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程所干扰。

也就是一个或多个操作，要么全部连续执行且不会被任何因素中断，要么就都不执行。这个概念和数据库概念里的事务很类似，且事务就是一种原子性操作。

需要注意的是，volatile可以保证线程安全的可见性和有序性，但不保证操作的原子性。