作者：小牛呼噜噜 | https://xiaoniuhululu.com
计算机内功、JAVA源码、职业成长、项目实战、面试相关资料等更多精彩文章在公众号「小牛呼噜噜」
前言
读过笔者之前的一篇文章Java内存模型(JMM)详解, 我们知道了由于计算机为了充分利用CPU的高性能，以及各个硬件 存取速度巨大的差异带来的一系列问题
- 为了充分压榨CPU的性能，CPU 会对指令乱序执行或者语言的编译器会指令重排，让CPU一直工作不停歇，但同时会导致有序性问题。
- 为了平衡CPU的寄存器和内存的速度差异，计算机的CPU 增加了高速缓存，但同时导致了 可见性问题
- 为了平衡CPU 与 I/O 设备的速度差异，操作系统增加了进程、线程概念，以分时复用 CPU，但同时导致了原子性问题。
Java 是最早尝试提供内存模型的编程语言。由于Java 语言是跨平台的，另外各个操作系统总存在一些差异，Java在物理机器的基础上抽象出一个 内存模型(JMM)，来简化和管理并发程序。我们都知道Java并发的三大特性：原子性，可见性，有序性
- 原子性指的是一个不可以被分割的操作，即这个操作在执行过程中不能被中断，要么全部不执行，要么全部执行。且一旦开始执行，不会被其他线程打断。
- 可见性 指的是一个线程修改了共享变量后，其他线程能立即感知这个变量被修改。
- 有序性 指程序按照代码的先后顺序执行。 在Java内存模型中，为了提升效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响
那么本文我们就聊聊关键字volatile ，可能是 Java 中最微妙和最难用的关键字, 看看其在Java内存模型中是如何保证并发操作的原子性、可见性、有序性的？
读本文前，可参考JMMhttps://mp.weixin.qq.com/s/iyXN4WyGAV_J4d8zeiG7yA里的每张图，先理解JMM内存模型
什么是volatile关键字
volatile是Java中用于修饰变量的关键字，其可以保证该变量的可见性以及顺序性，但是无法保证原子性。更准确地说是volatile关键字只能保证单操作的原子性，比如 x=1，但是无法保证复合操作的原子性，比如x++
其为Java提供了一种轻量级的同步机制：保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总是可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。相比于synchronized关键字（synchronized通常称为重量级锁），volatile更轻量级，开销低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。
保证可见性
可见性：是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看到修改的值。我们一起来看一个例子：
public class VisibilityTest {
private boolean flag = true;
public void change() {
flag = false;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，已修改flag=false");
}
public void load() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，开始执行.....");
int i = 0;
while (flag) {
i++;
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",结束循环");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VisibilityTest test = new VisibilityTest();
// 线程threadA模拟数据加载场景
Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
threadA.start();
// 让threadA执行一会儿
Thread.sleep(1000);
// 线程threadB 修改 共享变量flag
Thread threadB = new Thread(() -> test.change(), "threadB");
threadB.start();
}
}
其中：threadA 负责循环，threadB负责修改 共享变量flag，如果flag=false时，threadA 会结束循环，但是上面的例子会死循环！ 原因是threadA无法立即读取到共享变量flag修改后的值。
我们只需 private volatile boolean flag = true;，加上volatile关键字threadA就可以立即退出循环了。
其中Java中的volatile关键字提供了一个功能：那就是被volatile修饰的变量P被修改后，JMM会把该线程本地内存中的这个变量P，立即强制刷新到主内存中去，导致其他线程中的volatile变量P缓存无效，也就是说其他线程使用volatile变量P在时，都是从主内存刷新的最新数据。而普通变量的值在线程间传递的时候一般是通过主内存以共享内存的方式实现的；
因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。除了volatile，Java中的synchronized和final两个关键字 以及各种 Lock也可以实现可见性。加锁的话， 当一个线程进入 synchronized代码块后，线程获取到锁，会清空本地内存，然后从主内存中拷贝共享变量的最新值到本地内存作为副本，执行代码，又将修改后的副本值刷新到主内存中，最后线程释放锁。
保证有序性
有序性，顾名思义即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。但现代的计算机中CPU中为了能够让指令的执行尽可能地同时运行起来，提示计算机性能，采用了指令流水线。一个 CPU 指令的执行过程可以分成 4 个阶段：取指、译码、执行、写回。这 4 个阶段分别由 4 个独立物理执行单元来完成。
理想的情况是：指令之间无依赖，可以使流水线的并行度最大化 但是如果两条指令的前后存在依赖关系，比如数据依赖，控制依赖等，此时后一条语句就必需等到前一条指令完成后，才能开始。所以CPU为了提高流水线的运行效率，对无依赖的前后指令做适当的乱序和调度，即现代的计算机中CPU是乱序执行指令的
另一方面，只要不会改变程序的运行结果，Java编译器是可以通过指令重排来优化性能。然而，重排可能会影响本地处理器缓存与主内存交互的方式，可能导致在多线程的情况下发生"细微"的BUG。
指令重排一般可以分为如下三种类型：
- 编译器优化重排序，编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
- 指令级并行重排序，现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
- 内存系统重排序，由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。这并不是显式的将指