1. 引言
在java併發編程中，一定繞不開volatile、synchronized和lock幾個關鍵字，其中volatile關鍵字是用來解決共享變量（類成員變量、類的靜態成員變量等）的可見性問題的，非共享變量（方法的局部變量）是分配在JVM虛擬機的棧中，是線程私有的，不涉及可見性問題。那麼什麼是可見性？
2. 什麼叫做可見性
可見性：在JAVA規範中是這樣定義的：java編程語言允許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。通俗的將就是如果有一個共享變量N，當有兩個線程T1、T2同時獲取了N的值，T1修改N的值，而T2讀取N的值。那麼可見性規範要求T2讀取到的必須是T1修改後的值，而不能在T2讀取舊值後T1修改爲新值。volatile關鍵字修飾的共享變量可以提供這種可見性規範，也叫做讀寫可見。那麼底層實現是通過機制保證volatile變量讀寫可見的？
3. Volatile的實現機制
在說這個問題之前，我們先看看CPU是如何執行java代碼的。
首先編譯之後Java代碼會被編譯成字節碼.class文件，在運行時會被加載到JVM中，JVM會將.class轉換爲具體的CPU執行指令，CPU加載這些指令逐條執行。
以多核CPU爲例（兩核），我們知道CPU的速度比內存要快得多，爲了彌補這個性能差異，CPU內核都會有自己的高速緩存區，當內核運行的線程執行一段代碼時，首先將這段代碼的指令集進行緩存行填充到高速緩存，如果非volatil變量當CPU執行修改了此變量之後，會將修改後的值回寫到高速緩存，然後再刷新到內存中。如果在刷新會內存之前，由於是共享變量，那麼CORE2中的線程執行的代碼也用到了這個變量，這是變量的值依然是舊的。volatile關鍵字就會解決這個問題的，如何解決呢，首先被volatile關鍵字修飾的共享變量在轉換成彙編語言時，會加上一個以lock爲前綴的指令，當CPU發現這個指令時，立即做兩件事：
- 將當前內核高速緩存行的數據立刻回寫到內存；
- 使在其他內核裏緩存了該內存地址的數據無效。
第一步很好理解，第二步如何做到呢？
MESI協議：在早期的CPU中，是通過在總線加LOCK#鎖的方式實現的，但這種方式開銷太大，所以Intel開發了緩存一致性協議，也就是MESI協議，該解決緩存一致性的思路是：當CPU寫數據時，如果發現操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，那麼他會發出信號通知其他CPU將該變量的緩存行設置爲無效狀態。當其他CPU使用這個變量時，首先會去嗅探是否有對該變量更改的信號，當發現這個變量的緩存行已經無效時，會從新從內存中讀取這個變量。
4. 使用volatile的好處
從底層實現原理我們可以發現，volatile是一種非鎖機制，這種機制可以避免鎖機制引起的線程上下文切換和調度問題。因此，volatile的執行成本比synchronized更低。
5. volatile的不足
使用volatile關鍵字，可以保證可見性，但是卻不能保證原子操作，例如：
public class TestVolatile {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
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)
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
這裏我們用10個線程，每個線程+1000，預期應該是10000，實際上編譯執行這段代碼，輸出值都會小於10000。爲什麼會這樣？因爲，自增操作並不是原子操作，它含括讀，加1，寫入工作內存三步操作。這三步是分開操作的，當inc的值爲5，thead1執行自增操作，當thread1讀到5之後，還沒有來得及寫入就被阻塞了，那麼thead2讀取的依然是原值。所以volatile的非鎖機制只能保證修飾的變量的可見性，而當對變量進行非原子操作時，volatile就無法保證了。這種時候就需要使用synchronzied或lock。
參考：