概念
volatile这个关键字，不仅仅在Java语言中有，在很多语言中都有的，而且其用法和语义也都是不尽相同的。尤其在C语言、C++以及Java中，都有volatile关键字。都可以用来声明变量或者对象。
volatile是并发编程中常用的关键字，可以保证修饰的变量对所有线程的可见性和程序执行的顺序即有序性
volatile的用法
volatile是一个变量修饰符，只能用来修饰变量。无法修饰方法及代码块等。
volatile的用法比较简单，只需要在声明一个可能被多线程同时访问的变量时，使用volatile修饰就可以了。
public class Singleton{
// 使用volatile关键字修饰可能被多个线程同时访问到的singleton
private volatile static Singleton singleton;
// 保证不能通过构造器创建实例
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton(){
if(singleton == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if(singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton ;
}
}volatile原理
为了提高处理器的执行速度，在处理器和内存之间增加了多级缓存来提升。但是由于引入了多级缓存，就存在缓存数据不一致问题。
但是，对于volatile变量，当对volatile变量进行写操作的时候，JVM会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个缓存中的变量回写到系统主存中。
但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议
缓存一致性协议：每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。
所以，如果一个变量被volatile所修饰的话，在每次数据变化之后，其值都会被强制刷入主存。而其他处理器的缓存由于遵守了缓存一致性协议，也会把这个变量的值从主存加载到自己的缓存中。这就保证了一个volatile在并发编程中，其值在多个缓存中是可见的。
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得到修改的值。
- Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。所以，就可能出现线程1改了某个变量的值，但是线程2不可见的情况。
- 对一个变量加了volatile关键字修饰之后，只要一个线程修改了这个变量的值，会生成一个特殊的汇编指令，该指令会触发mesi协议, 会存在一个总线嗅探机制的东西，简单来说就是这个cpu会不停检测总线中该变量的变化，如果该变量一旦变化了，由于这个嗅探机制，其它cpu会立马将该变量的cpu缓存数据清空掉，重新的去从主内存拿到这个数据。
- 内存屏障也是保证可见性的重要手段，操作系统通过内存屏障保证缓存间的可见性，JVM通过给volatile变量加入内存屏障保证线程之间的可见性
- 写内存屏障（Store Memory Barrier）可以促使处理器将当前store buffer（存储缓存）的值写回主存。读内存屏障（Load Memory Barrier）可以促使处理器处理invalidate queue（失效队列）。进而避免由于Store Buffer和Invalidate Queue的非实时性带来的问题。
有序性 有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行
- 由于处理器优化和指令重排等，CPU还可能对输入代码进行乱序执行，比如load->add->save 有可能被优化成load->save->add 。这就是可能存在有序性问题。
- 而volatile除了可以保证数据的可见性之外，还有一个强大的功能，那就是他可以禁止指令重排优化等。
- 普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所依赖的赋值结果的地方都能获得正确的结果，而不能保证变量的赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
- volatile可以禁止指令重排，这就保证了代码的程序会严格按照代码的先后顺序执行。这就保证了有序性。被volatile修饰的变量的操作，会严格按照代码顺序执行，load->add->save 的执行顺序就是：load、add、save。
原子性 原子性是指一个操作是不可中断的，要全部执行完成，要不就都不执行
- 线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。当一个线程获得时间片之后开始执行，在时间片耗尽之后，就会失去CPU使用权。所以在多线程场景下，由于时间片在线程间轮换，就会发生原子性问题。
- 为了保证原子性，需要通过字节码指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和这两个指令之间是没有任何关系的。
- 所以，volatile是不能保证原子性的。
来看一下volatile和原子性的例子
public class Test {
public volatile int i = 0;
public void increase() {
i++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.i);
}
}- 以上代码比较简单，就是创建10个线程，然后分别执行1000次i++操作。正常情况下，程序的输出结果应该是10000，但是，多次执行的结果都小于10000。这其实就是volatile无法满足原子性的原因。为什么会出现这种情况呢，那就是因为虽然volatile可以保证i在多个线程之间的可见性。但是无法保证i++的原子性。
- i++操作，一共有三个步骤：load i ，add i ,save i。在多线程场景中，如果这三个步骤无法按照顺序执行的话，那么就会出现问题
volatile禁止指令重排序
什么是重排序?
为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序。
重排序的类型有哪些呢？源码到最终执行会经过哪些重排序呢？
- 编译器优化的重排序。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;
- 指令级并行的重排序。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;
- 内存系统的重排序。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的。
-
as-if-serial不管怎么重排序，单线程下的执行结果不能被改变, 编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。所以编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果
volatile怎么保证不会被重排序
为了实现volatile的内存语义，JMM会限制特定类型的编译器和处理器重排序
java编译器会在生成指令时在适当的位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。
内存屏障（Memory Barrier）
是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作
- LoadLoad 屏障：对于这样的语句Load1，LoadLoad，Load2。在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
- StoreStore屏障：对于这样的语句Store1， StoreStore， Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
- LoadStore 屏障：对于这样的语句Load1， LoadStore，Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
- StoreLoad 屏障：对于这样的语句Store1， StoreLoad，Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见
在每个volatile读操作后插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
- 对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
- 对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
- 对于这样的语句Load1;LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
- 对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
happens-before
从JDK 5开始，Java使用新的内存模型，使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性
在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系，这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。
happens-before规则如下：
- 程序顺序规则： 对于单个线程中的每个操作，前继操作happens-before于该线程中的任意后续操作。
- 监视器锁规则： 对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁
- volatile变量规则： 对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
- 传递性： 如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
注意
两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行，happens-before仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。
volatile缺点
由于Volatile的MESI缓存一致性协议，需要不断的从主内存嗅探和cas不断循环，无效交互会导致总线带宽达到峰值。
所以不要大量使用Volatile，至于什么时候去使用Volatile什么时候使用锁，根据场景区分。
