内存可见性

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程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volatile变量缓存无效。

来看一段代码：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        XiaoMing xiaoMing = new XiaoMing();
        xiaoMing.start();
        for(; ;){
            if(xiaoMing.isFlag()){
                System.out.println("hello");
            }
        }
    }

    static class XiaoMing extends Thread {

        private boolean flag = false;

        public boolean isFlag(){
            return flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            flag = true;
            System.out.println("flag = " + flag);
        }
    }
}

你会发现，永远都不会输出hello这一段代码，按道理线程改了flag变量，主线程也能访问到的呀？
但是将flag变量用volatile修饰一下，就能输出hello这段代码

private volatile boolean flag = false;

每个线程操作数据的时候会把数据从主内存读取到自己的工作内存，如果他操作了数据并且写会了，那其他已经读取的线程的变量副本就会失效了，需要对数据进行操作又要再次去主内存中读取了。

volatile保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了volatile修饰的变量，当修改写回主内存时，另外一个线程立即看到最新的值。

禁止重排序

重排序需要遵守一定规则：

重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。
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。

什么是重排序?

为提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序。

重排序的类型有哪些呢？

一个好的内存模型实际上会放松对处理器和编译器规则的束缚，也就是说软件技术和硬件技术都为同一个目标，而进行奋斗：在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高执行效率。

JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势。

因此，在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。

一般重排序可以分为如下三种：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序;
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序;
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。

那 Volatile 是怎么保证不会被执行重排序的呢？

内存屏障

java编译器会在生成指令系列时在适当的位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

为了实现volatile的内存语义，JMM会限制特定类型的编译器和处理器重排序，JMM会针对编译器制定volatile重排序规则表：

是否能重排序	第二个操作
第一个操作	普通读/写	volatile读	volatile写
普通读/写			NO
volatile读	NO	NO	NO
volatile写		NO	NO

举例来说，第三行最后一个单元格的意思是：在程序顺序中，当第一个操作为普通变量的读或写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序这两个操作。

从上表我们可以看出：

当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

需要注意的是：volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障，而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障。

volatile的用途

从volatile的内存语义上来看，volatile可以保证内存可见性且禁止重排序。

在保证内存可见性这一点上，volatile有着与锁相同的内存语义，所以可以作为一个“轻量级”的锁来使用。但由于volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁可以保证整个临界区代码的执行具有原子性。所以在功能上，锁比volatile更强大；在性能上，volatile更有优势。

在禁止重排序这一点上，volatile也是非常有用的。比如我们熟悉的单例模式，其中有一种实现方式是“双重锁检查”，比如这样的代码：

public class Singleton {

    private static Singleton instance; // 不使用volatile关键字

    // 双重锁检验
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第7行
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); // 第10行
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

如果这里的变量声明不使用volatile关键字，是可能会发生错误的。它可能会被重排序：

instance = new Singleton(); // 第10行

// 可以分解为以下三个步骤
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址

// 上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2，也就是：
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象