一、Java記憶體模型

想要理解volatile為什麼能確保可見性，就要先理解Java中的記憶體模型是什麼樣的。

Java記憶體模型規定了所有的變數都儲存在主記憶體中。每條執行緒中還有自己的工作記憶體，執行緒的工作記憶體中儲存了被該執行緒所使用到的變數（這些變數是從主記憶體中拷貝而來）。執行緒對變數的所有操作（讀取，賦值）都必須在工作記憶體中進行。不同執行緒之間也無法直接訪問對方工作記憶體中的變數，執行緒間變數值的傳遞均需要通過主記憶體來完成。

基於此種記憶體模型，便產生了多執行緒程式設計中的資料“髒讀”等問題。

舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

執行執行緒必須先在自己的工作執行緒中對變數i所在的快取行進行賦值操作，然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

比如同時有2個執行緒執行這段程式碼，假如初始時i的值為10，那麼我們希望兩個執行緒執行完之後i的值變為12。但是事實會是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時，兩個執行緒分別讀取i的值存入各自所在的工作記憶體當中，然後執行緒1進行加1操作，然後把i的最新值11寫入到記憶體。此時執行緒2的工作記憶體當中i的值還是10，進行加1操作之後，i的值為11，然後執行緒2把i的值寫入記憶體。

最終結果i的值是11，而不是12。這就是著名的快取一致性問題。通常稱這種被多個執行緒訪問的變數為共享變數。

那麼如何確保共享變數在多執行緒訪問時能夠正確輸出結果呢？

在解決這個問題之前，我們要先了解併發程式設計的三大概念：原子性，有序性，可見性。

二、原子性

1.定義

原子性：即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。

2.例項

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麼必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什麼樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後，操作突然中止。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到併發程式設計中會出現什麼結果呢？

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變數賦值過程不具備原子性的話，會發生什麼後果？

假若一個執行緒執行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變數賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那麼就可能發生一種情況：當將低16位數值寫入之後，突然被中斷，而此時又有一個執行緒去讀取i的值，那麼讀取到的就是錯誤的資料。

3.Java中的原子性

在Java中，對基本資料型別的變數的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要麼執行，要麼不執行。

上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來並不是那麼容易。看下面一個例子i：

請分析以下哪些操作是原子性操作：

咋一看，可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說執行緒執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作記憶體中。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作記憶體，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作記憶體 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變數，變數之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

從上面可以看出，Java記憶體模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個執行緒執行該程式碼塊，那麼自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

三、可見性

1.定義

可見性是指當多個執行緒訪問同一個變數時，一個執行緒修改了這個變數的值，其他執行緒能夠立即看得到修改的值。

2.例項

舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

由上面的分析可知，當執行緒1執行 i =10這句時，會先把i的初始值載入到工作記憶體中，然後賦值為10，那麼線上程1的工作記憶體當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到主存當中。

此時執行緒2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並載入到執行緒2的工作記憶體當中，注意此時記憶體當中i的值還是0，那麼就會使得j的值為0，而不是10.

這就是可見性問題，執行緒1對變數i修改了之後，執行緒2沒有立即看到執行緒1修改的值。

3.Java中的可見性

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變數被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他執行緒需要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。

而普通的共享變數不能保證可見性，因為普通共享變數被修改之後，什麼時候被寫入主存是不確定的，當其他執行緒去讀取時，此時記憶體中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個執行緒獲取鎖然後執行同步程式碼，並且在釋放鎖之前會將對變數的修改重新整理到主存當中。因此可以保證可見性。

四、有序性

1.定義

有序性：即程式執行的順序按照程式碼的先後順序執行。

2.例項

舉個簡單的例子，看下面這段程式碼：

上面程式碼定義了一個int型變數，定義了一個boolean型別變數，然後分別對兩個變數進行賦值操作。從程式碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麼JVM在真正執行這段程式碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎？不一定，為什麼呢？這裡可能會發生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什麼是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程式執行效率，可能會對輸入程式碼進行優化，它不保證程式中各個語句的執行先後順序同程式碼中的順序一致，但是它會保證程式最終執行結果和程式碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的程式碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程式結果並沒有影響，那麼就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1後執行。

但是要注意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程式最終結果會和程式碼順序執行結果相同，那麼它靠什麼保證的呢？再看下面一個例子：

這段程式碼有4個語句，那麼可能的一個執行順序是：

那麼可不可能是這個執行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的資料依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

雖然重排序不會影響單個執行緒內程式執行的結果，但是多執行緒呢？下面看一個例子：