java中的volatile有兩個(gè)語義：
- 保證共享變量可見性
通俗來說就是蔫缸，某個(gè)線程對(duì)一個(gè)volatile變量的修改，對(duì)于其它線程來說是可見的际起，即線程每次獲取volatile變量的值都是最新的拾碌。
- 保證共享變量可見性
- 禁止指令重排序
1.java內(nèi)存模型
- 線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，所謂的共享變量街望，是指所有存儲(chǔ)在堆內(nèi)存上的實(shí)例域校翔、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中。
- 每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（local memory）灾前，本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程讀/寫共享變量的副本防症。本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在哎甲。它涵蓋了緩存蔫敲，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化炭玫。
2.重排序
在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能奈嘿，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。重排序有以下三種類型：
- 編譯器優(yōu)化的重排序吞加。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下裙犹，可以重新安排語句的執(zhí)行順序酝惧。下面代碼中a、b的賦值順序伯诬，被編譯之后可能就變成了先設(shè)置b晚唇，再設(shè)置a。
public void set() {
a = 1;
b = 1;
}
- 指令級(jí)并行的重排序〉了疲現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism哩陕， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性赫舒，處理器可以改變語句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序悍及。
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內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)接癌，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行心赶。
1、CPU執(zhí)行l(wèi)oad讀數(shù)據(jù)時(shí)缺猛，把讀請(qǐng)求放到LoadBuffer缨叫，這樣就不用等待其它CPU響應(yīng)，先進(jìn)行下面操作荔燎，稍后再處理這個(gè)讀請(qǐng)求的結(jié)果耻姥。
2、CPU執(zhí)行store寫數(shù)據(jù)時(shí)有咨，把數(shù)據(jù)寫到StoreBuffer中琐簇，待到某個(gè)適合的時(shí)間點(diǎn)，把StoreBuffer的數(shù)據(jù)刷到主存中座享。
由于StoreBuffer和LoadBuffer是異步執(zhí)行的婉商，所以在外面看來，先寫后讀渣叛，還是先讀后寫丈秩，沒有嚴(yán)格的固定順序。
從java源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列诗箍，會(huì)分別經(jīng)歷下面三種重排序：
image.png
上述的1屬于編譯器重排序癣籽，2和3屬于處理器重排序挽唉。這些重排序都可能會(huì)導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題滤祖。
下面舉例說明處理器重排序帶來的可見性問題
假設(shè)處理器A和處理器B按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問，最終卻可能得到x = y = 0的結(jié)果瓶籽。具體的原因如下圖所示：
這里處理器A和處理器B可以同時(shí)把共享變量寫入自己的寫緩沖區(qū)（A1匠童，B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個(gè)共享變量（A2塑顺，B2）汤求，最后才把自己寫緩存區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3俏险，B3）。當(dāng)以這種時(shí)序執(zhí)行時(shí)扬绪，程序就可以得到x = y = 0的結(jié)果竖独。
從內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序來看，直到處理器A執(zhí)行A3來刷新自己的寫緩存區(qū)挤牛，寫操作A1才算真正執(zhí)行了莹痢。雖然處理器A執(zhí)行內(nèi)存操作的順序?yàn)椋篈1->A2，但內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序卻是：A2->A1墓赴。此時(shí)竞膳，處理器A的內(nèi)存操作順序被重排序了（處理器B的情況和處理器A一樣，這里就不贅述了）诫硕。
這里的關(guān)鍵是坦辟，由于寫緩沖區(qū)僅對(duì)自己的處理器可見，它會(huì)導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會(huì)與內(nèi)存實(shí)際的操作執(zhí)行順序不一致章办。由于現(xiàn)代的處理器都會(huì)使用寫緩沖區(qū)锉走，因此現(xiàn)代的處理器都會(huì)允許對(duì)寫-讀操做重排序。
那么JMM是如何禁止重排序從而保證可見性的呢藕届？
- 對(duì)于編譯器挠日，JMM的編譯器重排序規(guī)則會(huì)禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。
- 對(duì)于處理器重排序翰舌，JMM的處理器重排序規(guī)則會(huì)要求java編譯器在生成指令序列時(shí)嚣潜，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel稱之為memory fence）指令椅贱，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）懂算。
3.內(nèi)存屏障
跟據(jù)上面的描述，為了保證內(nèi)存可見性庇麦，java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序计技。內(nèi)存屏障是一組處理指令，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存操作的順序限制山橄。JMM把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：
4. happens-before
從JDK5開始垮媒，java使用新的JSR -133內(nèi)存模型（本文除非特別說明，針對(duì)的都是JSR- 133內(nèi)存模型）航棱。JSR-133提出了happens-before的概念睡雇，通過這個(gè)概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。如果一個(gè)操作執(zhí)行的結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見饮醇，那么這兩個(gè)操作之間必須存在happens-before關(guān)系它抱。這里提到的兩個(gè)操作既可以是在一個(gè)線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間朴艰。與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：
- 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作观蓄，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作混移。
- 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對(duì)這個(gè)監(jiān)視器鎖的加鎖侮穿。
- volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫歌径，happens- before 于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。
- 傳遞性：如果A happens- before B亲茅，且B happens- before C沮脖，那么A happens- before C。
happens-before與JMM的關(guān)系如下圖所示：
如上圖所示芯急，一個(gè)happens-before規(guī)則通常對(duì)應(yīng)于多個(gè)編譯器重排序規(guī)則和處理器重排序規(guī)則勺届。對(duì)于java程序員來說，happens-before規(guī)則簡單易懂娶耍，它避免程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)免姿。
5.volatile的禁止重排序與保證可見性
- 編譯器對(duì)操作volatile變量的代碼不再進(jìn)行優(yōu)化
- volatile底層通過內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)禁止特定類型的處理器重排序
為了實(shí)施volatile對(duì)應(yīng)的happens-before規(guī)則蘑险，對(duì)volatile變量的內(nèi)存操作涉及到的內(nèi)存屏障如下：
以volatile store -> volatile load為例讼庇，通過插入StroreLoad內(nèi)存屏障荷荤，確保Store數(shù)據(jù)對(duì)其他處理器變得可見（指刷新到內(nèi)存）单山，之前于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載。從而實(shí)現(xiàn)黔牵，某個(gè)線程對(duì)volatile變量的修改會(huì)立即刷新到主內(nèi)存米者，并導(dǎo)致其它線程工作內(nèi)存中的副本無效德召，讀取時(shí)只能從主內(nèi)存加載最新的值辑舷。
參考鏈接：
1.http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1
2.http://www.importnew.com/23520.html
