我们在上一篇文章讲到，synchronized关键字保证了代码同步性，同时有利于实现程序的安全性，但是同时也带来性能下降的弊端！所以，如果不是必要的我们应该避免使用synchronized关键字，在一些情况下可以采用其他方式作为替代！其中之一就是volatile。
1、什么是缓存一致性？
关于缓存一致性，我在第一章就简要的介绍过。缓存一致性的出现是因为计算机内存模型导致的：为了解决CPU的运算速度和内存读取速度的巨大差异性，在主内存和CPU之间加了一层高速缓存，每个CPU都有各自的高速缓存，但是这就带来共享数据由不同线程读取到自身私有的高速缓存中时，分别操作并返回到高速缓存从而带来共享数据被修改的数据出现重复或者覆盖的现象，这个也就是我们从上层看到的多线程的线程安全带来的问题！在计算机底层称之为缓存一致性问题，为了解决缓存一致性问题，主要通过下面两种方式：
···1）通过在总线加LOCK#锁的方式
···2）通过缓存一致性协议
这2种方式都是硬件层面上提供的方式。
在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。
但是会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。
而volatile的设计原则就类似“缓存一致性”协议！
2、可见性、原子性、指令重排性？
在并发编程中有三个很重要的概念：可见性、原子性、指令重排性！这三个概念我前面的文章也已经简略的叙述过了，这里引用网上的一个讲的很好例子Java并发编程：volatile关键字解析再来说明一下：
1.原子性
即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。
2.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。
举个简单的例子，看下面这段代码：
//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
//线程2执行的代码
j = i;假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.
这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。
3.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。举个简单的例子，看下面这段代码：
int i = 0;
boolean flag = false;
i = 1; //语句1
flag = true; //语句2上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。
下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：
int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a*a; //语句4这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是： 语句1 语句2 语句3 语句4；
那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 语句1 语句4 语句3？
不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：
//线程1:
context = loadContext(); //语句1
inited = true; //语句2
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。
3、volatile做到了哪些层面？
volatile实现了三个原则中的两个：可见性和禁止指令重排性！因为上述已经对这两个概念已经讲得很清楚了，这里只对可见性再次通过实例讲解一下！被volatile修饰的变量，任何线程修改过后都会立即被同步到主内存中，当另一个线程去向自己的缓存中取用数据的时候，发现上次被缓存的数据是共享数据且已经被修改，于是会导致该缓存无效从而去取用主内存中的数据。这有什么用呢？举个例子：
//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
doSomething();
}
//线程2
stop = true;这个例子在实际编程中应用的很广泛，通过标志位来控制某些逻辑的实现，我们为了达到的目的是这样的：当线程2运行的时候，线程1的循环应立即停止！但是实际情况真的是这样吗？我们可以把程序写完整验证一下：
public class VolatileTest {
private static boolean stop;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[10];
for(int i=0;i<10;i++){
threads[i] = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
stop = false;
while (!stop) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",flag.stop为" + stop + "，继续运行");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",flag.stop为" + stop + "，停止运行");
}
});
threads[i].start();
}
Thread threadflag = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
stop = true;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",flag.stop为" + stop + "，即将终止运行........");
}
},"threadFlag");
threadflag.start();
}
}程序逻辑同样很简单，开启10个循环线程，理论上当ThreadFlag线程运行的时候，10个线程应该立即结束，但是在我的测试中运行5次后（实际测试次数不一定每次都是同样的）线程9一直在循环中而没有被停止！这就说明，线程ThreadFlag的赋值操作并没有对线程9生效，线程9一直读取的还是自己缓存中的数据！当把flag变量加上volatile后，一方面被改变的变量会立即同步到主内存中，另一方面会强制是线程中共享变量的缓存在其他线程修改后失效，所以必须从主内存加载新的数据值，所以这种bug就会消失了。
4、volatile的实现原理是什么？
是什么决定了volatile的这种特性呢？我们通过JIT的汇编代码来看一下（摘自《深入理解JVM虚拟机》）：
“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令，lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：
···1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
···2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
···3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
5、为什么volatile可见性不保证线程安全？
一个很容易令人迷惑的情况是，为什么volatile的可见性不能保证线程安全呢？简要的回答就是：因为volatile不能保证原子性！但是实际数据操作中很多不是原子性操作，例如i++等！举个例子：
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
System.out.println(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();
}
}我们期望得到的结果是10000，但是运行不到10次下来我们发现，竟然出现最后结果9999;原因就是i++不具有原子性，这在第一篇文章也已经有叙述，把字节码指令编译的结果从第一篇文章拿来一下可以看到i++被拆分了四条命令：
源码：
public class Yuanzi {
static int a = 0;
public static void main(String[] args) {
a ++;
}
}字节码：
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #2 // Field a:I
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic #2 // Field a:I
8: return
static {};
Code:
0: iconst_0
1: putstatic #2 // Field a:I
4: return
}这回，我们这里结合volatile来说明一下为什么可见性不能保证线程安全，因为你可能回问：如果inc++的值立即同步到主内存并使得其他线程中缓存失效，那么理论上应该不会出现缓存不一致的情况下！
假设某一时刻主内存的数据inc = 10：
···1、A线程先运行，执行inc++，但是由于inc++实际分为四条指令，所以先A先执行第一条指令getstatic ，即从主内存加载inc = 10到自己的缓存中，然后阻塞；
···2、B线程开始运行，然后同样加载到自己缓存中inc = 10，然后inc++，假设运行完成，并同步会主内存，inc=11。随即阻塞；
···3、线程A开始运行，因为已经读取了inc的值，所以只能保证下一次读取的时候从主内存中读取，但是此次的inc的值（getstatic 栈顶的值）其实已经过期了，但是同样做了inc++的操作，同步到主内存，这个时候inc=11;
所以还是出现了线程安全的问题！那么怎么才能保证inc++是原子性操作呢？答案就是Automatic类！这在下一章会讲到！