1. 说说你对volatile关键字的理解

volatile是java虚拟机提供的轻量级的同步机制

1. 保证可见性
2. 不保证原子性
3. 保证有序性

2. 能不能详细说下什么是内存可见性，什么又是重排序呢？

2.1 内存可见性

1. 这个需要从Java内存模型说起
2. 在目前的计算机中，CPU的计算速度远远大于计算机存储数据的速度，但是内存访问的速度就慢了很多。为了提升整体性能，在CPU和内存之间加入了高速缓存。
3. CPU将计算需要用到的数据暂存进缓存中。当计算结束后再将缓存中的数据存入到内存中。这样CPU的运算可以在缓存中高速进行。
4. 说回JMM，也就是Java内存模型，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，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
5. 使用了volatile后，操作数据的线程先从主内存中把数据read到总线bus，然后load到自己的工作内存中。如果有线程对volatile修饰的变量进行操作并且写回了主内存，则其他已读取该变量的线程中，该变量副本将会失效。其他线程需要从主内存中重新加载一份最新的变量值。
6. Volatile保证了共享变量的可见性。当有的线程修改了Volatile修饰的变量值并写回到主内存后，其他线程能立即看到最新的值。
   

2.2 指令重排

1. 系统为了提升执行效率，在不影响最终结果的前提下，系统会对要执行的指令进行重排序。
   重排序分为以下几种：

• 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重新安排语句的执行顺序。
• 指令级并行的重排序：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：由于数据读写过程中涉及到多个缓冲区，这使得加载和存储的操作看上去可能是乱序执行，于是需要内存系统的重排序。

JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，通过解决这三个问题，可以解除缓存不一致的问题。

3. 那你具体说说这三个特性

1. 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；赋值是原子操作，还只能是用数字赋值，用变量的话还多了一步读取变量值的操作
2. 可见性：Java就是利用volatile来提供可见性的。当有的线程修改了Volatile修饰的变量值并写回到主内存后，其他线程能立即看到最新的值。 其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性，线程在释放锁之前，会把共享变量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的开销都更大。
3. 有序性：为了提升执行效率，JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的，但是规定了as-if-serial语义，即不管怎么重排序，程序的执行结果不能改变。

4. 可见性的解决方案？

1. 给代码加锁：使用synchronized的代码前后，线程会获得锁，清空工作内存。read将数据读到工作内存并load成为最新的副本，再通过store和write将数据写会主内存。而获取不到锁的线程会阻塞等待，所以变量的值一直都是最新的
2. volatile修饰共享变量：使用了volatile后，操作数据的线程先从主内存中把数据read到工作内存，load成副本。如果有线程对volatile修饰的变量进行操作并且写回了主内存，则其他已读取该变量的线程中，该变量副本将会失效。其他线程需要从主内存中重新加载一份最新的变量值

5. volatile能保证可见性吗？

1. Volatile能保证可见性
2. 使用了volatile后，操作数据的线程先从主内存中把数据read到工作内存，load成副本中。
3. 如果有线程对volatile修饰的变量进行操作并且写回了主内存，则其他已读取该变量的线程中，该变量副本将会失效。其他线程需要从主内存中重新加载一份最新的变量值

6. volatile能保证原子性吗？如何保证原子性？

1. volatile不能保证原子性
2. 这两步操作在左边的线程执行完第一步，但还没执行第二步时右边的线程抢过CPU控制权开始完成+1的操作后写入到主内存，于是左边的线程工作内存中的count副本失效了，相当于左边这一次+1的操作就被覆盖掉了。因此，Volatile不能保证原子性。
3. 保证原子性，需要加锁
   

7. 什么是指令重排？

系统为了提升执行效率，在不影响最终结果的前提下，系统会对要执行的指令进行重排序

重排序分为以下几种：

1. 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重新安排语句的执行顺序。
2. 指令级并行的重排序：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。
3. 内存系统的重排序：由于数据读写过程中涉及到多个缓冲区，这使得加载和存储的操作看上去可能是乱序执行，于是需要内存系统的重排序。

8. as-if-serial语义

不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守“as-if-serial语义”。编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果

9. volatile能如何保证有序性？

1. Volatile通过设置内存屏障（Memory Barrier），可以禁止指令重排，避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象
2. 通过插入内存屏障，禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。
3. Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。
4. 总之，volatile变量正是通过内存屏障实现其在内存中的语义，即可见性和禁止重排优化。

10. MESI缓存一致性协议？

1. volatile具有可见性，线程是怎么知道数据被其他线程更新的呢？这就跟MESI缓存一致性协议有关系。
2. M（Modified修改）：当cpu2对变量进行修改时，现在cpu内的缓存行中上锁，并向总线发信号，此时cpu2中的变量状态为M
3. E（Exclusive独享）：当cpu1读取一个变量时，该变量在工作内存中的状态是E
4. S（Shared共享）：当cpu2读取该变量时，两个cpu中该变量的状态由E转为S。
5. I（Invalid无效）：cpu1嗅探到变量被其他cpu修改的信号，于是将自己缓存行中的变量状态设置为i，即失效。则cpu1再从内存中获取最新数据。
   

11. 总线风暴是什么？

1. 由于Volatile的MESI缓存⼀致性协议，需要不断的从主内存嗅探和cas不断循环，⽆效交互会导致总线带宽达到峰值。
2. 所以不要⼤量使⽤Volatile，⾄于什么时候去使⽤Volatile，什么时候使⽤锁，根据场景区分。

12.什么时候去使⽤Volatile？

1. 某个属性被多个线程共享，其中有⼀个线程修改了此属性，其他线程可以⽴即得到修改后的值，⽐如作为触发器，状态量标记，实现轻量级同步
2. volatile可以在单例双重检查中实现可⻅性和禁⽌指令重排序，可以解决单例双重检查对象初始化代码执⾏乱序问题，从⽽保证安全性。

13. Volatile和Synchronized区别？

1. volatile只能修饰实例变量和类变量，只能作⽤于属性，⽽synchronized可以修饰⽅法和代码块。
2. volatile保证数据的可⻅性，⽤于禁⽌指令重排序，但是不保证原⼦性;⽽synchronized是⼀种互斥的机制。
3. volatile属性的读写操作都是⽆锁的，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的
4. volatile可以看做是轻量版的synchronized，volatile不保证原⼦性，但是如果是对⼀个共享变量进⾏多个线程的赋值，⽽没有其他的操作，那么就可以⽤volatile来代替synchronized，因为赋值本身是有原⼦性的，⽽volatile⼜保证了可⻅性，所以就可以保证线程安全了。

14. volatile能替代synchronized吗？

1. volatile属性的读写操作都是⽆锁的，
2. 它没有提供原⼦性和互斥性，它不能替代synchronized