volatile字段未被改写时，循环读并非每次从主内存读取

核心结论：当volatile字段始终未被任何线程改写时，循环读取该volatile字段不会每次从主内存加载，而是优先从当前核心的L1/L2私有缓存（或L3共享缓存）中读取——volatile读的核心规则是“读前保证缓存行有效，而非强制绕开缓存、直接访问主内存”，缓存行只要处于有效状态，CPU会充分利用缓存提升读取效率，不会做无意义的主存访问。

这一结论的核心依据是：volatile的内存语义是“保证可见性”，而非“放弃CPU缓存优化”，JVM和CPU的设计会在保证可见性的前提下，尽可能利用缓存提升性能，二者并不冲突。

一、volatile读的真实内存语义：读前“验证缓存有效性”，而非“强制主存读”

之前我们讲过，JVM为volatile读操作插入LoadLoad+LoadStore内存屏障，但这两个内存屏障的核心作用并非“强制从主内存读取”，而是为了保证“读取volatile字段前，当前核心中该字段所在的缓存行一定是有效状态”，具体屏障行为可拆解为3点（无任何“强制绕开缓存”的逻辑）：

1. 强制处理CPU的无效队列：确保之前接收到的所有缓存行失效通知都已执行，不会存在“缓存行已失效但未标记”的情况；
2. 禁止屏障两侧的指令重排：保证volatile读的有序性，不影响缓存的使用；
3. 验证目标缓存行的有效性：检查当前核心L1/L2中该volatile字段所在的缓存行MESI状态——仅当缓存行为Invalid（失效）时，才会从L3共享缓存/主内存重新加载；若缓存行为Shared/Exclusive（有效），则直接从本地缓存读取。

简单说：volatile读的“从主内存加载”是「条件行为」（缓存失效时触发），而非「无条件行为」（每次必触发），内存屏障的核心是“兜底有效性”，而非“放弃缓存”。

二、未被改写时，volatile字段的缓存行始终处于有效状态

当volatile字段从未被任何线程修改时，基于MESI缓存一致性协议，该字段所在的缓存行会一直保持Shared（共享） 或Exclusive（独占） 有效状态，不会被标记为Invalid，原因如下：

1. 缓存行的Invalid状态仅能由总线嗅探的失效通知触发，而失效通知是其他核心修改该字段时才会发送的硬件行为——无修改则无失效通知，缓存行状态不会主动变更；
2. 线程循环读取volatile字段时，仅会触发缓存行的“读操作”，MESI协议规定：读操作不会改变有效缓存行的状态（Shared态的读仍为Shared，Exclusive态的读仍为Exclusive）；
3. 只要当前核心的缓存未被CPU缓存替换算法（如LRU）淘汰，该有效缓存行会一直驻留在L1/L2私有缓存中，供循环读取直接使用。

此时的物理执行流程非常简单（以单核心运行该线程为例）：

1. 第一次读取volatile字段：CPU按“L1→L2→L3→主存”顺序加载，最终将缓存行存入L1/L2，标记为Shared/Exclusive；
2. 后续循环读取：直接检查L1缓存行状态为有效，无需任何主存/L3交互，直接从L1读取数据，性能与读取普通变量几乎无差异。

三、补充：volatile读可见性的核心保障，并非“每次主存读”

很多人会疑惑：“如果不从主存读，volatile的可见性怎么保证？”——这是对volatile可见性的核心误区，volatile读的可见性保障，不是“每次读主存的最新值”，而是“读前必保证缓存行是当前硬件层面的最新有效值”：

1. 当字段未被改写时，缓存中的值就是主存的最新值，直接读缓存既高效又能保证可见性；
2. 当字段被其他线程改写时，会触发总线嗅探的失效通知，将当前核心的缓存行标记为Invalid——此时下一次volatile读会因“缓存失效”，强制从L3/主存加载其他线程修改后的最新值，并重新将缓存行标记为有效。

简单说：volatile读的可见性是“失效必刷新，有效则复用”，既保证了“有修改时能读到最新值”，又避免了“无修改时反复访问主存的性能损耗”，是JMM对硬件缓存的合理利用，而非简单的“强制主存访问”。

四、特殊情况：缓存行被淘汰时，会从L3/主存重新加载

唯一的例外是：若线程循环读的时间极长，或当前核心的L1/L2缓存空间不足，该volatile字段的缓存行可能被CPU缓存替换算法淘汰（移出L1/L2）。此时下一次读取会触发“缓存未命中”，CPU会重新从L3共享缓存（若有）或主内存加载缓存行，但这一行为：

1. 与volatile的语义无关，是CPU的通用缓存优化策略，普通变量的读取也会发生；
2. 加载后的缓存行仍为有效状态，后续读取依然会复用缓存，并非每次都主存加载；
3. L3共享缓存是多核共享的高速缓存，即使从L3加载，也远快于主内存访问。

一句话总结

volatile字段未被改写时，循环读不会每次从主内存读取，而是直接复用当前核心L1/L2中处于Shared/Exclusive有效状态的缓存行；volatile读的核心规则是“读前验证缓存有效性，失效才从主存/L3加载”，内存屏障和MESI协议共同保证了“可见性”和“缓存效率”的平衡，而非简单强制绕开缓存。