一、Java 内存模型 (JMM)
大家都知道 Java 程序可以做到一次编写然后到处运行。这个功劳要归功于 Java 虚拟机。Java 虚拟机中定义了一种 Jva 内存模型（JMM）,用来屏蔽掉各种硬件和操作系统之间内存访问差异，让 Java 程序可以在各个平台中访问变量达到相同的效果。
JMM 的主要目标是定义了程序中变量的访问规则，就是内存中存放和读取变量的一些底层的细节。
JMM 规则
- 变量包含实例字段，静态字段，构成数组对象的元素，不包含局部变量和方法参数。
- 变量都存储在主内存上。
- 每个线程在 CPU 中都有自己的工作内存，工作内存保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。
- 线程对变量的所有操作都只能在工作内存，不能直接读写主内存的变量。
- 不同线程之间无法之间访问对方工作内存中的变量。
定义一个静态变量: static int a = 1;
上面的一系列内存操作，在 JMM 中定义了 8 种操作来完成。
JMM 交互
主内存和工作内存之间的交互，JMM 定义了 8 种操作来完成，每个操作都是原子性的。
- lock (锁定): 作用于主内存变量，把一个变量标识为一条内存独占的状态。
- unlock (解锁): 作用于主内存变量，把 lock 状态的变量释放出来，释放出来后才能被其他线程锁定。
- read (读取): 作用于主内存变量，把一个变量的值从主内存传输到工作内存中。
- load (载入): 作用于工作内存变量，把 read 操作的变量放入到工作内存副本中。
- use (使用): 作用于工作内存变量，把工作内存中的变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到需要这个变量的值的字节码指令时都执行这个操作。
- assgin (赋值): 作用于工作内存变量，把从执行引擎收到的值赋值给工作内存变量，每当虚拟机遇到需要赋值变量的值的字节码指令时都执行这个操作。
- store (存储): 作用于工作内存变量，把工作内存中的一个变量值，传送到主内存。
- write (写入): 作用于主内存变量，把 store 操作的从工作内存取到的变量写入主内存变量中。
从上图中可知，JMM 交互在一条线程中是不会出现任何的问题。但是当有两条线程的时候，线程 1 已经修改了变量的值，但是并未刷新到主内存时，如果此时线程 2 读取变量得到的值并不是线程 1 修改过的数据。
当引入线程 2 的时候 定义一个静态变量: static int a = 1;
下面就可以用 volatile 关键字解决问题。
二、volatile
volatile 可以保证变量对所有线程可见，一条线程修改的值，其他线程对新值可以立即得知。还可以禁止指令的重排序。
可见性
修改内存变量后立刻同步到主内存中，其他的线程立刻得知得益于 Java 的先行发生原则
先行发生原则中的 volatile 原则：一个 volatile 变量的写操作先行于后面发生的这个变量的读操作
定义一个静态变量: static int a = 1;
可见性原理
对 volatile 修饰的变量，在执行写操作的时候会多出一条 lock 前缀的指令。JVM 将 lock 前缀指令发送给 CPU ，CPU 处理写操作后将最后的值立刻写回主内存，因为有 MESI 缓存一致性协议保证了各个 CPU 的缓存是一致的，所以各个 CPU 缓存都会对总线进行嗅探，本地缓存中的数据是否被别的线程修改了。
如果别的线程修改了共享变量的数据，那么 CPU 就会将本地缓存的变量数据过期掉，然后这个 CPU 上执行的线程在读取共享变量的时候，就会从主内存重新加载最新的数据。
原子性
volatile 并不保证变量具有原子性。
这段代码的结果有可能不是 100000，有可能小于 100000。因为 num++ 并不是原子性的。
有序性
volatile 是通过禁止指令重排序来保证有序性。为了优化程序的执行效率 JVM 在编译 Java 代码的时候或者 CPU 在执行 JVM 字节码的时候，不影响最终结果的前提下会对指令进行重新排序。
编译器会根据以下策略将内存屏障插入到指令中，禁止重排序：
- 在 volatile 写操作之前插入 StoreStore 屏障。禁止和 StoreStore 屏障之前的普通写操作不会进行重排序。
- 在 volatile 写操作之后插入 StoreLoad 屏障。禁止和 StoreLoad 屏障之后的 volatile 读写重排序。
- 在 volatile 读操作之后插入 LoadLoad 屏障。禁止和 LoadLoad 之后的普通读和 volatile 读重排序。
- 在 volatile 写操作之后插入 LoadStore 屏障。禁止和 LoadStore 屏障之后的普通写操作重排序。
总结
面试被问到 volatile 的时候，可以从 Java 内存模型到原子性、有序性、可见性，最后到 volatile 的原理：内存屏障和 lock 前缀指令。
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