Java volatile 理解

1. 现代CPU Cache结构

多核 CPU Cache 结构

1.1 缓存的主要作用

现代多核CPU为了提升处理速度，都会将需要的数据从内存拷贝到各自的缓存中（L1，L2），然后在各自的缓存中对数据进行操作。

1.2 缓存的作用范围

L1，L2 是CPU中每个核私有的，用于备份各自所需要的数据。L3 Cache是CPU每个核共享的。

1.3 缓存的写入模式

写回（write-back）模式：各个核每次修改自己缓存中的数据后不会立即写回到内存，而是等到一定合适的时间才写回到内存。
直写（write-through）模式：各个核每次修改自己缓存中的数据后会立即写回到内存。

1.4 缓存的一致性

无论哪种写入模式，试想，如果多个核都从内存缓存了一份相同的数据，而此时有一个核将自己缓存中的数据进行了修改，其他核缓存中的数据却依然是修改之前的数据，这就造成了各个核之间缓存数据的不一致，而我们所期望的是各个核缓存之间的数据可以同步，为了达到同步的目的，各个核的缓存需要共同遵守一份协议，保证修改共享数据的时候可以通知其他缓存，这就是CPU的缓存一致性协议。

缓存一致性协议有多种，但是基本上都是基于MESI协议进行扩展的，详细的内容可以查阅相关文档了解。

2. volatile的实现原理

2.1 可见性

可见性，即一个线程修改一个共享变量时，其他线程可以获取到修改后的值。JVM的实现中，volatile共享变量的写操作会向处理器发送一条Lock指令，声言使用直写模式，在CPU缓存一致性协议的保证下实现volitile共享变量的可见性。

简单来讲，多核环境下，对volatile共享变量进行写操作会将缓存的结果直接写回到内存中，在缓存一致性协议下，其他核会对总线上传输的数据一直进行窥探，即监测其他核对缓存数据的操作。因此，volatile共享变量写回内存的操作会被其他核监测到，此时这些核会将自己缓存中的数据设为无效状态，当需要对这个数据进行修改操作的时候会重新从内存中读取，这样就达到了volatile修饰变量的可见性。

2.1 原子性

volatile修饰的变量无论是读还是写操作，都是具备原子性的，可以理解为使用了锁：

volatile int value = 1;
public void set(int value) {
   this.value = value;
}
public void get() {
   return this.value;
}

int value = 1;
public synchronized void set(int value) {
   this.value = value;
}
public synchronized int get() {
   return this.value;
}

这意味着多线程环境下任何一个线程读取到的volatile修饰的共享变量都是当前的最新值，不会存在差异性。
但是有一点需要注意，volatile只是保证了读/写的原子性，复合的volatile操作并不保证原子性，例如：

volatile int value = 1
public void set(int value) {
   this.value = value++;
}

因为value++这个操作可以分为三个步骤，首先，读取value的值，其次，
进行自增操作，最后，将结果写入内存。需要知道这三个操作volatile并不能保证原子性，即只能保证读取到的value是最新值，如果此时该处理器读取value之后由于某些原因阻塞，而此时其他处理器刚好对value进行了修改，这个时候之前的处理器进行计算时还是使用之前读取到的value，这样就造成了错误的处理结果。