可见性

如果一个线程对共享变量值的修改，能够及时的被其他线程看到，叫做共享变量的可见性。

Java 虚拟机规范试图定义一种 Java 内存模型(JMM)，来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，让 Java 程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。简单来说，由于 CPU 执行指令的速度是很快的，但是内存访问的速度就慢了很多，相差的不是一个数量级，所以搞处理器的那群大佬们又在 CPU 里加了好几层高速缓存。

在 Java 内存模型里，对上述的优化又进行了一波抽象。JMM 规定所有变量都是存在主存中的，类似于上面提到的普通内存，每个线程又包含自己的工作内存，方便理解就可以看成 CPU 上的寄存器或者高速缓存。所以线程的操作都是以工作内存为主，它们只能访问自己的工作内存，且工作前后都要把值在同步回主内存。简单点说就是：多线程中读取或修改共享变量时，首先会读取这个变量到自己的工作内存中成为一个副本，对这个副本进行改动后再更新回主内存中。

使用工作内存和主存虽然加快了速度，但是也带来了一些问题，比如：

i = i + 1;

假设 i 初值为0，当只有一个线程执行它时，结果肯定得到1，当两个线程执行时，会得到结果2吗？这就不一定了，可能会存在这种情况：

线程1：load i from 主存 // i = 0

i + 1 // i = 1

线程2：load i from 主存 // 因为线程1还没将i的值写回内存，所以i还是0

i + 1 // i = 1

线程1：save i to 主存

线程2：save i to 主存

如果两个线程按照上面的执行流程，那么 i 最后的值居然是1了，如果最后的写回生效的慢，你再读取 i 的值，都可能是0，这就是缓存不一致问题。

这种情况一般称为失效数据，因为线程1还没将 i 的值写回主内存，所以 i 还是0，在线程2中读到的就是 i 的失效值(旧值)。也可以理解成，在操作完成之后将工作内存中的副本回写到主内存，并且在其它线程从主内存将变量同步回自己的工作内存之前，共享变量的改变对其是不可见的。

有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。例如：

int i = 0;

boolean flag = false;

i = 1; // 语句1

flag = true; 　　// 语句2

上面代码定义了一个 int 型变量，定义了一个 boolean 类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。

从代码顺序上看，语句1 是在语句2 前面的，那么 JVM 在真正执行这段代码的时候会保证语句1 一定会在语句2 前面执行吗？ 不一定，为什么呢？ 这里可能会发生指令重排序。

重排序

指令重排是指 JVM 在编译 Java 代码的时候，或者 CPU 在执行 JVM 字节码的时候，对现有的指令顺序进行重新排序。它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的(指的是不改变单线程下的程序执行结果)。

虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？ 再看下面一个例子：

int a = 10; // 语句1

int r = 2; // 语句2

a = a + 3; // 语句3

r = a * a; // 语句4

这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：

那么可不可能是这个执行顺序呢？

语句2 -> 语句1 -> 语句4 -> 语句3

不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令 Instruction 2 必须用到 Instruction 1 的结果，那么处理器会保证 Instruction 1 会在 Instruction 2 之前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：

// 线程1

context = loadContext(); // 语句1

inited = true; // 语句2

// 线程2

while( !inited ){

sleep();

}

doSomethingwithconfig(context);

上面代码中，由于语句1 和语句2 没有数据依赖性，因此可能会被重排序。

假如发生了重排序，在线程1 执行过程中先执行语句2，而此时线程2 会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出 while 循环，去执行 doSomethingwithconfig(context) 方法，而此时 context 并没有被初始化，就会导致程序出错。

从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。

原子性

Java 中，对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作, 所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的，要做一定做完，要么就没有执行。

JMM 只实现了基本的原子性，像 i++ 的操作，必须借助于 synchronized 和 Lock 来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前，必然会把 i 的值刷回到主存的。

要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

volatile 关键字

volatile 关键字的两层语义

一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被 volatile 修饰之后，那么就具备了两层语义：

禁止进行指令重排序。

读写一个变量时，都是直接操作主内存。

在一个变量被 volatile 修饰后，JVM 会为我们做两件事：

在每个 volatile 写操作前插入 StoreStore 屏障，在写操作后插入 StoreLoad 屏障。

在每个 volatile 读操作前插入 LoadLoad 屏障，在读操作后插入 LoadStore 屏障。

或许这样说有些抽象，我们看一看刚才线程A代码的例子：

boolean contextReady = false;

// 在线程A中执行:

context = loadContext();

contextReady = true;

我们给 contextReady 增加 volatile 修饰符，会带来什么效果呢？

由于加入了 StoreStore 屏障，屏障上方的普通写入语句 context = loadContext() 和屏障下方的 volatile 写入语句 contextReady = true 无法交换顺序，从而成功阻止了指令重排序。

也就是说，当程序执行到 volatile 变量的读或写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见。

volatile特性之一：

保证变量在线程之间的可见性。可见性的保证是基于 CPU 的内存屏障指令，被 JSR-133 抽象为 happens-before 原则。

volatile特性之二：

阻止编译时和运行时的指令重排。编译时 JVM 编译器遵循内存屏障的约束，运行时依靠 CPU 屏障指令来阻止重排。

volatile 除了保证可见性和有序性，还解决了 long 类型和 double 类型数据的 8 字节赋值问题。虚拟机规范中允许对 64 位数据类型，分为 2 次 32 位的操作来处理，当读取一个非 volatile 类型的 long 变量时，如果对该变量的读操作和写操作不在同一个线程中执行，那么很有可能会读取到某个值得高 32 位和另一个值得低 32 位。