从JAVA内存模型(JMM)来看volatile

一、计算机硬件相关概念

计算机硬件可以组成可以抽象为由总线、IO设备、主内存和处理器(CPU)组成。主内存用来存放数据，CPU用来执行具体指令。

1.1 单核模型

CPU执行指令会非常快，而从主内存中读取数据相对耗时，为了解决这一问题，一般会将需要运算的数据从主内存中复制一份都CPU中，又叫CPU的高速缓存，CPU进行运算时，就可以直接对高速缓存进行读写，待运算结束后，再将高速缓存的数据回写到主存中，这种模型可以简单的认为就是一个单核模型。

1.2 多核模型

计算机发展到现在，基本都是多核的处理器，也就是可以支持多线程并行计算，且CPU也存在一级缓存、二级缓存甚至三级缓存的区分，具体示意如下：

计算机硬件多核模型示意.jpg

具体一级缓存、二级缓存、三级缓存的定义及区别，并非本文讨论的重点，自己了解也有些，这里不做详细说明，我们仅讨论这里可能会存在的缓存一致性问题。
举例来说，由于每个核里面都存在自己的缓存，数据会复制到各自的缓存中，那当并发的多个线程对同一个数据进行读写时，如果不加控制，必然会出现幻读或脏读等问题。

那CPU厂商是怎么来解决这个问题的呢？
有两种方式：
1.总线加锁。由于所有的数据读写都会经过总线，那一旦某个CPU持有了锁，那只要在总线上阻塞其他CPU，就能确保同一时间只有一个CPU操作数据，也就不会出现脏数据的问题。然而这种方式显而易见的效率低下，相当于将多核变为单核操作。
2.缓存一致性协议。主要有MSI、MESI、MOSI等，其主要思想为：如果某个CPU在对某个共享变量进行写的操作，会发出信号告诉其他CPU该变量的缓存目前是无效的，那么其他CPU在读取该变量时，会发现从自己的缓存中取不到有效的变量，就会从内存中重新读取新的值，也就是确保了可见性。

二、JAVA内存模型

类比计算机硬件，JAVA内存模型，也存在主内存和工作内存，简单示例如下：

java线程和内存的关系.jpg

可以看到java线程其实是直接操作的工作内存，我们按读和写两条线来看下这里面涉及的操作：

读：

read(读取)：从主内存读出来
load(载入)：将read到的值载入工作内存
use(使用) ：将工作内存中的变量取出给java线程使用

写：

assign(赋值)：由java线程将变量赋值给工作内存
store(存储) ： 工作内存将变量传递给主内存
write(写入) ： 将已经store的值写入主内存

lock & unlock：

作用于主内存将某一变量只能被一个线程锁定/释放。

可以看到，java线程读的过程其实是read>>load>>use的过程，而写的过程则是assign >> store >> write的过程，显而易见，如果load之后发生了write操作，则接下来java线程use到的值，将会是之前的旧值。

三、volatile

实际上volatile做了两件事
1.通过在上面这些指令前后增加屏障，确保了单次读的过程一定是read>>load>>use，单次写的过程一定是assign >> store >> write。
2.同一个线程内，如果按照程序顺序，先后发生读、写，则被volatile修饰的变量不会被指令重排序，保证代码的执行顺序和程序的顺序相同。

做到了上述两点，也就是我们说的volatile的变量保证对所有线程的可见性，以及禁止了指令重排