第一次写文章，主要作为自己以后复习用的笔记，水平有限，有不对的地方，还望大佬指正，谢谢！

话不多说，要理解volatile关键字，还要从硬件层面开始讲起。

操作系统层面

随着现代操作系统的CPU访问速度越来越快，和主存速度的差异越来越大，所以在主存和CPU之间加了一层高速缓存，也就是L1、L2、L3缓存，先从主存读取数据，放到高速缓存，之后CPU再读取数据就可以直接从高速缓存读取了，由此加快访问速度。

硬件层面

由此引发的问题

由于上述硬件层面加了一层高速缓存，由此会引发缓存一致性问题，如果一个变量被多个CPU共享，其中CPU0在自己的高速缓存修改了该共享变量，还没有同步到主存，此时CPU1从主存中取到的是旧值，使用旧值进行操作，就会导致数据出错。

所以，硬件层面使用总线锁和缓存锁来解决这一问题，总线锁即锁住总线，多个CPU串行访问主存，CPU0对变量操作期间，CPU1不能访问。但是这会导致性能下降，多核CPU的优势并没有体现出来，所以后来的操作系统，大多使用缓存锁，即锁住缓存行（内存中存储数据是以缓存行为单位），一个缓存行默认是64byte，如果多个CPU访问的是同一个缓存行，才会被阻塞，否则不会影响。（这里会有伪共享问题，即一个缓存行存储多个变量，即使多个CPU访问的不是同一个变量，也会被阻塞，可以使用对齐填充来解决）

MESI协议

硬件层面使用缓存一致性协议，常用的是MESI协议，该协议主要有两方面的作用：

1.多个CPU共享同一变量，CPU0修改该变量，会将CPU1中的高速缓存中该变量的缓存行置为失效

2.如果CPU的该变量的缓存行是失效状态，需要从注册重新读取最新数据

JVM层面

虽然硬件层面可以解决，但并不是所有的操作系统都支持缓存一致性协议，为了屏蔽各个硬件底层的差异，JVM层面抽象出来了JMM内存模型。

JMM内存模型

每个线程有自己私有的工作内存，共享变量初始在存在主内存中，线程从主内存取出放到自己的工作内存中，之后就从工作内存中读取。

共享变量多线程安全问题

由于JMM模型，同操作系统硬件的高速缓存类似，也会存在数据不一致，Java层面使用volatile实现对共享变量多线程操作下的线程安全问题，可以实现内存可见性、有序性。

为了实现程序的高效运行，编译器、处理器、内存都会对指令进行重排序，volatile依赖MESI协议和内存屏障来实现线程安全，其中内存屏障是使用Lock汇编指令，防止指令前后重排序。但是volatile不能实现原子性，比如i++，分为三步，取出i的值，对i+1，将计算后的结果赋值给i，如果线程1在完成第2步后，此时还没有修改i变量值，即还没有使其他CPU核心的高速缓存的缓存行失效，线程2从自己的工作内存取出i值进行操作，然后线程1才将计算后的i值赋值为i，并将其他CPU核心的高速缓存的缓存行失效，但是这时已经晚了，线程2已经取了旧值。如果是原子操作，例如i=1，线程1直接将i值赋为1，并将其他CPU核心的高速缓存的缓存行失效，将新值写入主存，此时线程2取i值的话发现自己的缓存行失效，就从主存取，也就不会出现线程安全问题了。

经典的DCL单例模式

单例DCL

加双重if，是为了防止当多个线程并发同时进入第一个if，然后第一个线程获取到锁以后，创建实例，当第一个线程释放锁时，第二个线程获取到锁，再次判断已经不为null了，就会直接返回。synchronized代码块，和代码块外部的代码不能重排序，是happens-before保证的，即一个锁的释放（同步块或者方法的退出）和该锁的后续获得（同步块或者方法的进入）存在happens-before关系，但是synchronized代码块内，是可以重排序的，也即new Single()分为三个步骤：

1.划分内存区域

2.填充实例

3.将栈里面的引用变量指向对象内存区域

重排序后，可能132乱序执行，此时instance!=null，但是实例数据还没有填充，返回的其实是个空实例，所以加上volatile，禁止指令重排序，且创建完实例后，立即刷到主存，其他线程可以立刻感知到。

volatile在JDK源码中的运用

最常用的并发包里的底层基础类，AbstractQueuedSynchronizer，里面有一个state变量

AQS类的state变量

该变量表示锁的重入次数，被volatile修饰，线程每次争抢到锁后，对state+1，其他线程立即可见，在争抢锁时，先判断state，如果等于0，说明锁没有被占用，代表可以争抢，用CAS设置state，设置成功，表示成功获取锁；如果state不等于0，说明锁已经被占用，再判断获取锁的线程是否当前线程，如果是，将state+1，表示重入。

总结

1.volatile用于修饰共享变量

2.volatile底层依赖MESI协议和内存屏障，实现多线程并发下的内存可见性、有序性，但不能实现原子性

3.volatile除了在JDK并发包下基础类AQS中有应用，在其他很多组件源码中也有应用