volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制，在并发编程中，它也扮演着比较重要的角色。同synchronized相比（synchronized通常称为重量级锁），volatile更轻量级。
volatile关键字是与Java的内存模型有关的，因此在讲述volatile关键之前，我们先来了解一下与内存模型相关的概念和知识
Java内存模型
首先来看看如下代码
public class TestVolatile {
boolean status = false;
/**
* 状态切换为true
*/
public void changeStatus(){
status = true;
}
/**
* 若状态为true，则running。
*/
public void run(){
if(status){
System.out.println("running....");
}
}
}
上面这个例子，在多线程环境里，假设线程1执行changeStatus()方法后,线程2运行run()方法，可以保证输出”running…..”吗？答案是NO! 因为对于共享变量status来说，线程A的修改，对于线程B来讲，是”不可见”的。也就是说，线程B此时可能无法观测到status已被修改为true。那么什么是可见性呢？
所谓可见性，是指当一条线程修改了共享变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。很显然，上述的例子中是没有办法做到内存可见性的。
java虚拟机有自己的内存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。这三者之间的交互关系如下
需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存。当然如果是出于理解的目的，这样对应起来也无不可。
大概了解了JMM的简单定义后，问题就很容易理解了，对于普通的共享变量来讲，比如我们上文中的status，线程1将其修改为true这个动作发生在线程1的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程2缓存了status的初始值false，此时可能没有观测到status的值被修改了，所以就导致了上述的问题。那么这种共享变量在多线程模型中的不可见性如何解决呢？比较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了。比较合理的方式其实就是volatile
volatile具备两种特性：
1.保证此变量对所有的线程的可见性。 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的变量强制刷新到主内存中去，这个写会操作会导致其他线程中的缓存无效
2.禁止指令重排序优化。 有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置；指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）
上面的例子只需将status声明为volatile，即可保证在线程A将其修改为true时，线程B可以立刻得知
volatile boolean status = false;
- 可见性：
通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。
可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。
在Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。
- 原子性：
原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。再比如y = x;实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。
在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。
- 有序性：
Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。
Volatile原理
Java语言提供了一种稍弱的同步机制，即volatile变量，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。
在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。
当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。
而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过上图的 CPU cache 这一步。
volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。
留意复合类操作
需要注意的是，我们一直在拿volatile和synchronized做对比，仅仅是因为这两个关键字在某些内存语义上有共通之处，volatile并不能完全替代synchronized，它依然是个轻量级锁，在很多场景下，volatile并不能胜任。看下这个例子：
public class Counter {
public static volatile int num = 0;
//使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
public static void main(String []args) throws InterruptedException {
//开启30个线程进行累加操作
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(){
public void run(){
for(int j=0;j<10000;j++){
num++;//自加操作
}
countDownLatch.countDown();
}
}.start();
}
//等待计算线程执行完
countDownLatch.await();
System.out.println(num);
}
}
执行结果： 238921
针对这个示例，一些同学可能会觉得疑惑，如果用volatile修饰的共享变量可以保证可见性，那么结果不应该是300000么?
问题就出在num++这个操作上，因为num++不是个原子性的操作，而是个复合操作。我们可以简单讲这个操作理解为由这三步组成:
1.读取
2.加一
3.赋值
所以，在多线程环境下，有可能线程A将num读取到本地内存中，此时其他线程可能已经将num增大了很多，线程A依然对过期的num进行自加，重新写到主存中，最终导致了num的结果不合预期，而是小于30000。
解决num++操作的原子性问题
针对num++这类复合类的操作，可以使用java并发包中的原子操作类原子操作类是通过循环CAS的方式来保证其原子性的。
public class Counter {
//使用原子操作类
public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
//使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
public static void main(String []args) throws InterruptedException {
//开启30个线程进行累加操作
for(int i=0;i<30;i++){
new Thread(){
public void run(){
for(int j=0;j<10000;j++){
num.incrementAndGet();//原子性的num++,通过循环CAS方式
}
countDownLatch.countDown();
}
}.start();
}
//等待计算线程执行完
countDownLatch.await();
System.out.println(num);
}
}
执行结果: 300000
禁止指令重排序
volatile还有一个特性：禁止指令重排序优化。
重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行排序的一种手段。但是重排序也需要遵守一定规则：
1.重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。
比如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。
2.重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变
比如：a=1;b=2;c=a+b这三个操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在数据依赖关系，所以可能会发生重排序，但是c=a+b这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果一定是c=a+b=3。
重排序在单线程模式下是一定会保证最终结果的正确性，但是在多线程环境下，问题就出来了，来开个例子，我们对第一个TestVolatile的例子稍稍改进，再增加个共享变量a
public class TestVolatile {
int a = 1;
boolean status = false;
/**
* 状态切换为true
*/
public void changeStatus(){
a = 2;//1
status = true;//2
}
/**
* 若状态为true，则running。
*/
public void run(){
if(status){//3
int b = a+1;//4
System.out.println(b);
}
}
}
假设线程A执行changeStatus后，线程B执行run，我们能保证在4处，b一定等于3么？ 答案依然是无法保证！
上面我们提到过，为了提供程序并行度，编译器和处理器可能会对指令进行重排序，而上例中的1和2由于不存在数据依赖关系，则有可能会被重排序，先执行status=true再执行a=2。而此时线程B会顺利到达4处，而线程A中a=2这个操作还未被执行，所以b=a+1的结果也有可能依然等于2。
使用volatile关键字修饰共享变量便可以禁止这种重排序。若用volatile修饰共享变量，在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序
volatile禁止指令重排序也有一些规则，简单列举一下：
1.当第二个操作是voaltile写时，无论第一个操作是什么，都不能进行重排序
2.当地一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能进行重排序
3.当第一个操作是volatile写时，第二个操作是volatile读时，不能进行重排序
使用volatile关键字的场景
ynchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：
1）对变量的写操作不依赖于当前值
2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。
下面代码显示了一个非线程安全的数值范围类。它包含了一个不变式 —— 下界总是小于或等于上界：
@NotThreadSafe
public class NumberRange {
private int lower, upper;
public int getLower() { return lower; }
public int getUpper() { return upper; }
public void setLower(int value) {
if (value > upper)
throw new IllegalArgumentException(...);
lower = value;
}
public void setUpper(int value) {
if (value < lower)
throw new IllegalArgumentException(...);
upper = value;
}
}
这种方式限制了范围的状态变量，因此将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不能够充分实现类的线程安全；从而仍然需要使用同步。否则，如果凑巧两个线程在同一时间使用不一致的值执行 setLower 和 setUpper 的话，则会使范围处于不一致的状态。例如，如果初始状态是 (0, 5)，同一时间内，线程 A 调用 setLower(4) 并且线程 B 调用 setUpper(3)，显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的，那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查，使得最后的范围值是 (4, 3) —— 一个无效值。至于针对范围的其他操作，我们需要使 setLower() 和 setUpper() 操作原子化 —— 而将字段定义为 volatile 类型是无法实现这一目的的。
下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。
1.状态标记量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();
inited = true;
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
总结
简单总结下，volatile是一种轻量级的同步机制，它主要有两个特性：一是保证共享变量对所有线程的可见性；二是禁止指令重排序优化。同时需要注意的是，volatile对于单个的共享变量的读/写具有原子性，但是像num++这种复合操作，volatile无法保证其原子性，当然文中也提出了解决方案，就是使用并发包中的原子操作类，通过循环CAS地方式来保证num++操作的原子性。
参考资料
https://www.cnblogs.com/zhengbin/p/5654805.html
https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6528109.html
https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
不变式举例