volatile的可见性保证（JMM视角）+ 原子性缺失原因（从8个原子操作角度）

要讲清这个问题，首先明确Java内存模型（JMM）的核心基础：所有变量的真实存储是主内存，每个线程有独立的工作内存（CPU缓存/寄存器），线程对变量的所有操作必须在工作内存中执行，不能直接操作主内存；而线程间的变量数据交互，必须通过主内存完成——这个交互过程，JMM定义了8个不可分割的原子操作，这是所有内存操作的最小单位，volatile的所有特性都基于对这8个原子操作的约束/未约束实现。

先列出JMM规定的8个原子操作（后续全程围绕这8个操作分析，不可拆分）：

1. lock（锁定）：作用于主内存变量，把变量标识为当前线程独占状态；
2. unlock（解锁）：作用于主内存变量，解除独占状态，解锁后变量才能被其他线程lock；
3. read（读取）：作用于主内存变量，把主内存的变量值传输到线程的工作内存，为后续load做准备；
4. load（载入）：作用于工作内存变量，把read从主内存获取的值放入工作内存的变量副本中；
5. use（使用）：作用于工作内存变量，把工作内存的变量值传递给线程的执行引擎（如计算、赋值）；
6. assign（赋值）：作用于工作内存变量，把执行引擎的计算结果赋值给工作内存的变量副本；
7. store（存储）：作用于工作内存变量，把工作内存的变量值传输到主内存，为后续write做准备；
8. write（写入）：作用于主内存变量，把store从工作内存获取的值放入主内存的变量中。

关键前提：这8个操作本身都是原子的、不可中断的，JMM保证单个操作的原子性；但多个原子操作的组合，若无额外约束，是可中断的——这是volatile不能保证原子性的核心伏笔。

一、volatile如何基于8个原子操作保证可见性？

volatile对可见性的保证，本质是通过JMM的强制规则，约束了线程操作volatile变量时，8个原子操作的执行顺序、执行时机，杜绝了“工作内存与主内存数据不一致”的可能，核心是对写操作和读操作分别做了严格的原子操作执行约束，且底层通过内存屏障保证这些约束不会被JVM/CPU重排序优化。

1. volatile变量「写操作」的原子操作约束（线程修改变量时）

普通变量的写操作，执行assign（工作内存赋值）后，store+write（工作内存→主内存）的执行时机是不确定的（JVM会缓存优化，可能延迟执行），这是写操作可见性失效的根源；
而volatile变量的写操作，JMM强制要求：
线程对volatile变量执行assign（工作内存赋值）后，必须立即、连续执行store+write原子操作，将工作内存的新值同步到主内存，不允许缓存、不允许延迟。
简单说：volatile写 = assign → 强制紧跟 store → write（三步连续执行，无间隙）。

2. volatile变量「读操作」的原子操作约束（线程读取变量时）

普通变量的读操作，会优先执行use（使用工作内存旧副本），不会主动执行read+load（从主内存刷新），这是读操作可见性失效的根源；
而volatile变量的读操作，JMM强制要求：
线程对volatile变量执行use（使用变量）前，必须先执行read+load原子操作，从主内存读取最新值并刷新到工作内存，不允许使用工作内存的旧副本。
简单说：volatile读 = read → load → 强制前置 use（三步连续执行，无间隙）。

3. 可见性的完整原子操作流程（线程A修改，线程B读取）

假设volatile变量flag初始值为false，主内存存储真实值，线程A、B有各自工作内存副本：

1. 线程A执行flag = true：先在工作内存执行assign（将副本赋值为true）→ 强制执行store（工作内存→主内存传输）→ write（主内存更新为true）；
2. 线程B执行if(flag)：先强制执行read（主内存读取true）→ load（工作内存副本刷新为true）→ 再执行use（将true传递给执行引擎）；
3. 全程无缓存延迟、无旧副本使用，线程B必然获取线程A修改后的最新值，实现可见性。

核心：volatile通过写操作强制紧跟store+write、读操作强制前置read+load，约束了8个原子操作的执行逻辑，让工作内存与主内存的同步变成“即时性”，从根本上解决了可见性问题。

二、从8个原子操作角度，说明volatile为什么不能保证原子性

首先重申两个关键前提：

1. volatile能保证单个8个原子操作的原子性（如单独的read、load、store、write等，本身就是原子的）；
2. 原子性的核心要求是“一组操作作为整体，不可分割、不可中断”，即这组操作的执行过程中，不能插入其他线程的任何操作。

而volatile无法保证“多个8个原子操作的组合”作为整体的原子性——这是原子性缺失的根本原因。所有volatile的非原子操作（如i++、i--、a=b+1），本质都是拆解为多个JMM原子操作的组合，且volatile对这些组合操作的原子操作执行间隙无任何同步约束，线程可以在间隙中切换，导致操作结果错误。

典型案例：volatile修饰的i++（最易理解的复合操作）

即使int i被volatile修饰，i++依然是非原子操作，因为它会被JVM强制拆解为4个连续的JMM原子操作（组合操作，不可合并），且这4个操作的执行间隙无任何锁/同步约束，可被其他线程中断：

i++的4个JMM原子操作拆解（固定顺序，不可拆分）

volatile i++ = ①read → ②load → ③use → ④assign → ⑤store → ⑥write

简化为核心执行逻辑（聚焦数据交互关键步骤）：

1. read+load：从主内存读取i的最新值（read），载入到工作内存副本（load）；
2. use+assign：将工作内存的i值传递给执行引擎做+1计算（use），把计算结果重新赋值给工作内存的i副本（assign）；
3. store+write：将工作内存的新值传输到主内存（store），写入并更新主内存的i值（write）。

关键：这6个原子操作是依次执行的，操作之间存在可中断的时间窗口——volatile仅保证了「assign后立即执行store+write」「use前先执行read+load」（可见性约束），但没有任何机制保证这6个操作作为一个整体“不可中断”。

原子性缺失的具体过程（基于8个原子操作，线程切换导致结果错误）

假设初始值：volatile int i = 0（主内存i=0，线程A、B工作内存副本均为0），线程A、B同时执行i++，预期结果2，实际大概率1，全程围绕8个原子操作的执行间隙分析：

1. 线程A执行i++：先完成①read+②load（从主内存读0，载入工作内存），此时工作内存i=0；
2. 线程切换（核心间隙）：CPU从线程A切到线程B，线程A的③use+④assign+⑤store+⑥write未执行；
3. 线程B完整执行i++的6个原子操作：read+load（读主内存0，载入工作内存）→ use+assign（+1得1，赋值给工作内存）→ store+write（刷回主内存，主内存i=1）；
4. 线程切回：CPU回到线程A，继续执行未完成的操作；
5. 线程A执行③use+④assign：基于之前load的旧值0（而非主内存最新的1）做+1，得到1，赋值给工作内存；
6. 线程A执行⑤store+⑥write：将1刷回主内存，最终主内存i=1（而非预期2）。

原子性缺失的核心本质（8个原子操作视角）

1. 复合操作（如i++）是多个JMM原子操作的组合，这是客观事实，无法改变；
2. volatile仅约束了单个原子操作的执行时机/顺序（保证可见性），但未对多个原子操作的组合施加任何“原子性约束”（如lock锁定、禁止线程切换）；
3. 多个原子操作的执行间隙存在线程切换的时间窗口，其他线程可在该窗口中完整执行同一复合操作的所有原子操作，导致当前线程基于“旧值”继续执行，最终结果错误。

简单说：volatile管得到单个原子操作，管不到多个原子操作的组合，而原子性要求的是“组合操作的整体不可中断”——这就是从8个原子操作角度，volatile不能保证原子性的根本原因。

三、核心总结（紧扣8个原子操作）

1. 可见性的保证：volatile通过强制约束8个原子操作的执行顺序和时机实现——写操作assign后立即执行store+write，读操作use前必须先执行read+load，让工作内存与主内存即时同步，无缓存延迟、无旧副本使用；
2. 原子性的缺失：JMM的8个原子操作本身不可分割，但复合操作会拆解为多个原子操作的组合，volatile仅保证单个原子操作的原子性，无法保证组合操作的整体原子性——组合操作的原子操作之间存在可中断的间隙，线程切换会导致基于旧值执行，最终结果错误；
3. 关键区别：可见性是“数据同步问题”，通过约束原子操作的执行逻辑即可解决；原子性是“操作整体不可中断问题”，需要对多个原子操作的组合施加锁/同步约束（如lock/unlock），而volatile不具备该能力。

补充：如何让复合操作具备原子性（8个原子操作视角）

若要让volatile变量的复合操作具备原子性，本质是通过额外机制，让复合操作的多个原子操作组合“获得整体原子性”，核心方式是利用JMM的lock+unlock原子操作：

1. synchronized/ReentrantLock：执行复合操作前先执行lock（锁定主内存变量，独占），让组合操作的所有原子操作在独占状态下执行，执行完成后执行unlock（解锁）——锁定期间其他线程无法执行任何原子操作，保证组合操作不可中断；
2. Atomic原子类（如AtomicInteger）：基于CAS（比较并交换） 机制，将复合操作的多个原子操作与“主内存值对比”绑定，若工作内存值与主内存值不一致（说明被其他线程修改），则放弃当前操作并重新执行，间接保证组合操作的原子性（无锁实现）。