java中volatile关键字的作用及原理。volatile可以保证内存可见性、程序执行的有序性。

如下图所示，在jvm中，所有线程的共享变量都存在主内存中，然后每个线程有自己独有的工作内存，每个线程不直接操作主内存中的数据，而是将主内存中的变量变成一个副本存在自己的工作内存中，线程只操作自己工作内存中的变量。 在单线程中不会出现问题，多线程的时候就可能出现脏数据！例如： int i = 1; AB两个线程同时拿到了变量 i，进行递增操作，AB两个线程都将i放到自己工作内存中进行+1操作，而此时A线程操作了 i 之后，还没有将结果刷新到主内存中，此时B也对 i 在自己的工作内存中进行了+1操作，然后AB两个线程都将自己的结果刷新到主内存中，结果就是i只加了1，这样就有问题了。原因就是B线程读取到了变量 i 的脏数据。

解决的话就是对变量 i 加上volatile关键字，volatile可以保证当A线程对 i 的值做了修改后会立即刷新到主内存中，是对其他线程可见的，其他线程读取到的值也就作废，强迫重新从主内存中重新读取，这样在任何时刻，多个线程都能看的最新的i的值。值对应每个线程都是可见的。

volatile是通过汇编加上Lock前缀指令，触发底层的MESI缓存一致性协议来实现的。这个协议有很多种，主要的就是MESI。MESI表示4中状态： 比如说当前有一个A cpu从主内存中拿到了一个变量X，初始值=1，放到了自己的工作内存中，此时它的状态就是独享状态E。然后另外一个B cpu也拿到了X放到自己的工作内存中，此时之前的A CPU就是监听内存总线，发现这个X被多个cpu获取了，这个时候AB两个CPU获取到的X的状态就是共享状态S。 然后A cpu将X从自己工作内存中拿到ALU计算单元进行计算，返回2，接着就会告诉内存总线，将此时X的状态修改为M。B cpu也会不断监听内存总线，发现这个X已经被别的CPU修改了状态，自己内部的值就会被改为 I 无效状态，等A cpu将修改后的值刷新到主内存后再重新获取X的值。裁决谁先修改X的值由CPU通过硬件在同一个指令周期内决定，裁定是谁修改，另外的就无效。 当然MESI也会有失效的时候，缓存的最小单元是缓存行，如果当前共享的数据超过了缓存行的长度，就会使MESI协议失效，此时触发总线加锁机制，第一个CPU拿到后，其他的都不能获取。

指令重排是JVM（包括CPU）为保证效率可能会对指令进行重新排序执行。例如，只要代码移动不会改变程序的语义，当编译器认为程序中移动一个写操作到后面会更有效的时候，编译器就会对代码进行移动。JVM可以保证在单线程下指令重排后和重排前执行结果一样，可是多线程的情况就无法保证了。最典型的例子就是单例双重锁机制：

instance变量由volatile 修饰，如果不加这个修饰符，会有问题，虽然加了synchronized 锁 ，多线程下不能保证代码执行的正确性。因为 instance = new Singleton(); 这并不是一个原子性的操作，这里其实执行了三步：

由于指令重排的问题，第2步和第3步没有依赖关系，就可能造成第3步在第2步之前执行。也就是说线程A进来判断为null，进入方法执行了instance = new Singleton(); 有可能JVM先执行了第3步，这个时候线程B进来了，此时instance 已经不是null，属于半初始化状态，线程B拿到了一个半成品，虽然开发中很少见，但是确实会存在这种情况。加上volatile关键字之后就会保证instance = new Singleton();不会进行指令重排，会按照顺序执行，这样就不会有问题。

volatile的有序性是通过内存屏障实现的。JVM和CPU都会对指令做重排优化，所以在指令间加入了一个屏障点，告诉JVM和CPU不能进行指令重排。具体分为4种：