Java 技術之volatile
volatile關鍵字的兩層語義
當一個共享變數（類的成員變數、類的靜態成員變數）被volatile修飾之後，那麼就具備了兩層語義：
- 保證了不同執行緒對這個變數進行操作時的可見性，即一個執行緒修改了某個變數的值，這新值對其他執行緒來說是立即可見的。
- 禁止進行指令重排序。
volatile保證變數的可見性
每個執行緒在執行過程中都有自己的工作記憶體，那麼執行緒1在執行的時候，會將共享變數的值拷貝一份放在自己的工作記憶體當中。那麼當執行緒2更改了共享變數的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，執行緒2轉去做其他事情了，那麼此時執行緒1是不知道當前的共享變數已經被執行緒2修改了，如果此時執行緒1也修改了當前的共享變數的值，那麼最終主記憶體的值可能不是兩個執行緒所期望的值。
但是用volatile修飾之後就變得不一樣了，因為：
- 使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；
- 使用volatile關鍵字的話，當執行緒2進行修改時，會導致執行緒1的工作記憶體中快取的共享變數的快取行無效（反映到硬體層的話，就是CPU的L1或者L2快取中對應的快取行無效）；
- 由於執行緒1的工作記憶體中快取的共享變數的快取行無效，所以執行緒1再次讀取共享變數的值時會去主存讀取。
那麼線上程2修改共享變數的值時（當然這裡包括2個操作，修改執行緒2工作記憶體中的值，然後將修改後的值寫入記憶體），會使得執行緒1的工作記憶體中快取的共享變數的快取行無效，然後執行緒1讀取時，發現自己的快取行無效，它會等待快取行對應的主存地址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。那麼此時執行緒1讀取到的就是最新的正確的值。以上可以參考上圖的Java記憶體模型。
但是需要注意的是，volatile關鍵字並不能保證操作的原子性。
volatile 禁止指令重排序
在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
- 當程式執行到volatile變數的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；
- 在進行指令優化時，不能將在對volatile變數訪問的語句放在其後面執行，也不能把volatile變數後面的語句放到其前面執行。
volatile不保證操作的原子性
volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程式錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變數的操作的原子性。
我們知道自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變數的原始值、進行加1操作、寫入工作記憶體。也就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變數inc的值為10，執行緒1對變數進行自增操作，執行緒1先讀取了變數inc的原始值，然後執行緒1被阻塞了；
然後執行緒2對變數進行自增操作，執行緒2也去讀取變數inc的原始值，由於執行緒1只是對變數inc進行讀取操作，而沒有對變數進行修改操作，所以不會導致執行緒2的工作記憶體中快取變數inc的快取行無效，所以執行緒2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，並把11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
然後執行緒1接著進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，注意此時線上程1的工作記憶體中inc的值仍然為10，所以執行緒1對inc進行加1操作後inc的值為11，然後將11寫入工作記憶體，最後寫入主存。
那麼兩個執行緒分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。
解釋到這裡，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變數在修改volatile變數時，會讓快取行無效嗎？然後其他執行緒去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變數規則，但是要注意，執行緒1對變數進行讀取操作之後，被阻塞了的話，並沒有對inc值進行修改。然後雖然volatile能保證執行緒2對變數inc的值讀取是從記憶體中讀取的，但是執行緒1沒有進行修改，所以執行緒2根本就不會看到修改的值。根源就在這裡，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變數的任何操作都是原子性的。
volatile的原理和實現機制
前面講述了源於volatile關鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機器》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的彙編程式碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock字首指令”
lock字首指令實際上相當於一個記憶體屏障（也成記憶體柵欄），記憶體屏障會提供3個功能：
- 它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到記憶體屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到記憶體屏障的後面；即在執行到記憶體屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成；
- 它會強制將對快取的修改操作立即寫入主存；
- 如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的快取行無效。