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https://blog.csdn.net/SEU_Calvin/article/details/52370068

1 Java内存模型 JMM

在说明Java多线程内存可见性之前，先来简单了解一下Java内存模型（JMM）：

Java所有变量都存储在主内存中
每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程的使用到的变量副本（该副本就是主内存中该变量的一份拷贝）
线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接在主内存中读写
不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

线程1对共享变量的修改，要想被线程2及时看到，必须经过如下2个过程：

把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中
将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

2 可见性与原子性

可见性：一个线程对共享变量的修改，更够及时的被其他线程看到。
原子性：即不可再分了，不能分为多步操作。比如赋值或者return。比如"a = 1;"和 "return a;"这样的操作都具有原子性。类似"a += b"这样的操作不具有原子性，在某些JVM中"a += b"可能要经过这样三个步骤：
①　取出a和b
②　计算a+b
③　将计算结果写入主内存

2.1 Synchronized：保证可见性和操作的原子性

Synchronized实现原子性和可见性的原理：在Java内存模型中，synchronized规定，线程在加锁时，先清空工作内存→在主内存中拷贝最新变量的副本到工作内存→执行完代码→将更改后的共享变量的值刷新到主内存中→释放互斥锁。

2.2 Volatile：保证可见性，但不保证操作的原子性

Volatile 保证可见性的原理：Volatile实现内存可见性是通过store和load指令完成的；也就是对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store指令，即强迫线程将最新的值刷新到主内存中；而在读操作时，会加入一条load指令，即强迫从主内存中读入变量的值。但volatile不保证volatile变量的原子性，例如：

    Private int Num=0;
    Num++;//Num不是原子操作

Num++不是原子操作，因为其可以分为：

从主内存中读取Num的值；
将Num的值+1，写入最新的Num的值到主内存。

对于Num++;操作，线程1和线程2都执行一次，最后输出Num的值可能是：1或者2
【解释】输出结果1的解释：当线程1执行Num++;语句时，先是读入Num的值为0，倘若此时让出CPU执行权，线程获得执行，线程2会重新从主内存中，读入Num的值还是0，然后线程2执行+1操作，最后把Num=1刷新到主内存中；线程2执行完后，线程1由开始执行，但之前已经读取的Num的值0，所以它还是在0的基础上执行+1操作，也就是还是等于1，并刷新到主内存中。所以最终的结果是1

volatile本质是在告诉JVM当前变量在寄存器中的值是不确定的，使用前，需要先从主存中读取，因此可以实现可见性。而对n=n+1,n++等操作时，volatile关键字将失效，不能起到像synchronized一样的线程同步（原子性）的效果。

一般在多线程中使用volatile变量，为了安全，对变量的写入操作不能依赖当前变量的值：如Num++或者Num=Num*5这些操作。

2.2.1 volatile禁止指令重排

指令重排是指处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证各个语句的执行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。

程序执行到volatile修饰变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作肯定已经完成，且结果已经对后面的操作可见，在其后面的操作肯定还没有进行。

指令重排举例：
因为指令重排序，有可能语句2会在语句1之前执行，可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。

这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了。

//线程1:
context = loadContext();   //语句1  context初始化操作
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.3 Synchronized和Volatile的区别比较

1）Synchronized保证内存可见性和操作的原子性
2）Volatile只能保证内存可见性
3）Volatile不需要加锁，比Synchronized更轻量级，并不会阻塞线程（volatile不会造成线程的阻塞；synchronized可能会造成线程的阻塞）synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，就会影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized。
4）volatile标记的变量不会被编译器优化，而synchronized标记的变量可以被编译器优化（如编译器重排序的优化）
5）volatile是变量修饰符，仅能用于变量，而synchronized可用于类方法或代码块的修饰符。

2.3.1 必须使用synchronized而不能使用volatile的场景

例子中用new了10个线程，分别去调用1000次increase()方法，每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。自增操作不是原子操作，volatile 是不能保证原子性的。使用volatile修饰int型变量i，多个线程同时进行i++操作。比如有两个线程A和B对volatile修饰的i进行i++操作，i的初始值是0，A线程执行i++时刚读取了i的值0，就切换到B线程了，B线程（从内存中）读取i的值也为0，然后就切换到A线程继续执行i++操作，完成后i就为1了，接着切换到B线程，因为之前已经读取过了，所以继续执行i++操作，最后的结果i就为1了。同理可以解释为什么每次运行结果都是小于10000的数字。

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

但是使用synchronized对部分代码进行如下修改，就能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码。运行结果必然是10000。

public  int inc = 0;
public synchronized void increase() {
        inc++;
}

【参考资料】《细说Java多线程之内存可见性》http://www.imooc.com/video/6775（含视频和代码）

Java多线程之内存可见性和原子性：Synchronized和Volatile的比较