Java中volatile关键字实现原理
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volatile关键字的作用是保证变量在多线程之间的可见性，它是java.util.concurrent包的核心。
volatile两大作用
1、保证变量在内存中的可见性
2、防止指令重排
但是需注意的是volatile并不保证操作的原子性。
内存可见性
Java内存模型(Java Memory Model，JMM)：
它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。一个线程如何和何时能看到其他线程共享变量的值，以及在必须时如何同步访问共享变量。
java内存模型中规定了所有变量都存贮到主内存（如虚拟机物理内存中的一部分）中。每一个线程都有一个自己的工作内存(如cpu中的高速缓存)。
线程中的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值等）必须在该线程的工作内存中进行，不可以访问其它线程的工作内存。
不同线程之间无法直接访问对方工作内存中变量。线程间变量的值传递均需要通过主内存来完成。
关于主内存与工作内存之间的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存。如何从工作内存同步到主内存中的实现细节。java内存模型定义了8种操作来完成。
这8种操作每一种都是原子操作。8种操作如下：
lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；
read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；
use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；
assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；
store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；
write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。
unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；
Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:
1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现（即不允许一个变量从主存读取了但是工作内存不接受，或者从工作内存发起会写了但是主存不接受的情况），以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。
2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
3、不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
4、一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
5、一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
6、如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
7、如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存（执行store和write操作）。
通过上面Java内存模型的概述，我们会注意到这么一个问题，
每个线程在获取锁之后会在自己的工作内存来操作共享变量，操作完成之后将工作内存中的副本回写到主内存，并且在其它线程从主内存将变量同步回自己的工作内存之前，
共享变量的改变对其是不可见的。即其他线程的本地内存中的变量已经是过时的，并不是更新后的值。
volatile保证可见性的原理是在每次访问变量时都会进行一次刷新，因此每次访问都是主内存中最新的版本。
所以volatile关键字的作用之一就是保证变量修改的实时可见性
当一个变量被声明为volatile时，线程写入变量的值是就不会把它的值缓存到寄存器，会直接把它的值写到主内存。
当其他线程读取该变量是，会从主内存中重新获取该变量的值，而不是使用当前线程中缓存的值。
而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。
另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
由lock指令回看volatile变量读写
相信有了上面对于lock的解释，volatile关键字的实现原理应该是一目了然了。首先看一张图：
工作内存Work Memory其实就是对CPU寄存器和高速缓存的抽象，或者说每个线程的工作内存也可以简单理解为CPU寄存器和高速缓存。
那么当写两条线程Thread-A与Threab-B同时操作主存中的一个volatile变量i时，Thread-A写了变量i，那么：
- Thread-A发出LOCK#指令
- 发出的LOCK#指令锁总线（或锁缓存行），同时让Thread-B高速缓存中的缓存行内容失效
- Thread-A向主存回写最新修改的i
Thread-B读取变量i，那么：
- Thread-B发现对应地址的缓存行被锁了，等待锁的释放，缓存一致性协议会保证它读取到最新的值
由此可以看出，volatile关键字的读和普通变量的读取相比基本没差别，差别主要还是在变量的写操作上。
指令重排
指令重排是指JVM在编译Java代码的时候，或者CPU在执行JVM字节码的时候，对现有的指令顺序进行重新排序。
指令重排的目的是为了在不改变程序执行结果的前提下，优化程序的运行效率。需要注意的是，这里所说的不改变执行结果，指的是不改变单线程下的程序执行结果。
然而，指令重排是一把双刃剑，虽然优化了程序的执行效率，但是在某些情况下，会影响到多线程的执行结果。我们来看看下面的例子：
boolean contextReady = false;
在线程A中执行:
context = loadContext();
contextReady = true;
在线程B中执行:
while(!contextReady ){
sleep(200);
}
doAfterContextReady (context);
以上程序看似没有问题。线程B循环等待上下文context的加载，一旦context加载完成，contextReady == true的时候，才执行doAfterContextReady 方法。
但是，如果线程A执行的代码发生了指令重排，初始化和contextReady的赋值交换了顺序：
boolean contextReady = false;
在线程A中执行:
contextReady = true;
context = loadContext();
在线程B中执行:
while( ! contextReady ){
sleep(200);
}
doAfterContextReady (context);
这个时候，很可能context对象还没有加载完成，变量contextReady 已经为true，线程B直接跳出了循环等待，开始执行doAfterContextReady 方法，结果自然会出现错误。
例子2：指令重排导致单例模式失效
我们都知道一个经典的懒加载方式的双重判断单例模式：
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronzied(Singleton.class) {
if(instance == null) {
instance = new Singleton(); //非原子操作
}
}
}
return instance;
}
}
看似简单的一段赋值语句：instance= new Singleton()，但是很不幸它并不是一个原子操作，其实际上可以抽象为下面几条JVM指令：
memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
instance = memory; //3：设置instance指向刚分配的内存地址
上面操作2依赖于操作1，但是操作3并不依赖于操作2，所以JVM是可以针对它们进行指令的优化重排序的，经过重排序后如下：
memory = allocate(); //1：分配对象的内存空间
instance =memory; //3：instance指向刚分配的内存地址，此时对象还未初始化
ctorInstance(memory); //2：初始化对象
可以看到指令重排之后，instance指向分配好的内存放在了前面，而这段内存的初始化被排在了后面。
在线程A执行这段赋值语句，在初始化分配对象之前就已经将其赋值给instance引用，恰好另一个线程进入方法判断instance引用不为null，然后就将其返回使用，导致出错
需要注意的是，这里java代码的重排只是为了简单示意，真正的指令重排是在字节码指令的层面。
什么是内存屏障？
内存屏障也称为内存栅栏或栅栏指令，是一种屏障指令，它使CPU或编译器对屏障指令之前和之后发出的内存操作执行一个排序约束。 这通常意味着在屏障之前发布的操作被保证在屏障之后发布的操作之前执行。
内存屏障共分为四种类型：
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障； StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之间刷新到主内存
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障；
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障；
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
需要注意的是：volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障
StoreStore屏障：禁止上面的普通写和下面的volatile写重排序；
StoreLoad屏障：防止上面的volatile写与下面可能有的volatile读/写重排序
LoadLoad屏障：禁止下面所有的普通读操作和上面的volatile读重排序
LoadStore屏障：禁止下面所有的普通写操作和上面的volatile读重排序
由于加入了StoreStore屏障，屏障上方的普通写入语句 context = loadContext() 和屏障下方的volatile写入语句 contextReady = true 无法交换顺序，从而成功阻止了指令重排序。
这里比较有意思的是volatile写后面的StoreLoad屏障。这个屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面，是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在这里采取了保守策略：在每个volatile写的后面或在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时，选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里我们可以看到JMM在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率。
lock前缀
lock前缀的指令的说明：
① 保证指令的执行的原子性
带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然，这会带来昂贵的开销。从Pentium 4，Intel Xeon及P6处理器开始，intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。
② 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序
在AI-32架构软件开发者手册第8中内存排序中，有说明LOCK前缀会禁止指令与之前和之后的读和写指令重排序。这相当于JMM中定义的StoreLoad内存屏障的效果。也正是因为这个内存屏障的效果，会使得线程把其写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。注意，这里不是单单被修改的数据会被回写到主内存，而是写缓存中所有的数据都回写到主内存。
而将写缓冲区的数据回写到内存时，就会通过缓存一致性协议（如，MESI协议）和窥探技术来保证写入的数据被其他处理器的缓存可见。
volatile特性：
保证变量在线程之间的可见性。可见性的保证是基于CPU的内存屏障指令，被JSR-133抽象为happens-before(先行发生)原则。
阻止编译时和运行时的指令重排。编译时JVM编译器遵循内存屏障的约束，运行时依靠CPU屏障指令来阻止重排。
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