总的来说：
只要是被volatile修饰的共享变量，就可以具有了以下两点特性：
1.保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;
2.禁止指令重排序

1.保证内存可见性

内存可见性，即线程A对volatile变量的修改，其他线程获取的volatile变量都是最新的。

什么是内存可见性呢？这里就必须要提到Java的内存模型（JMM），如下图所示：

Java内存模型.png

如上图所示，所有线程的共享变量都存储在主内存中，每一个线程都有一个独有的工作内存，每个线程不直接操作在主内存中的变量，而是将主内存上变量的副本放进自己的工作内存中，只操作工作内存中的数据。当修改完毕后，再把修改后的结果放回到主内存中。每个线程都只操作自己工作内存中的变量，无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。
上述的Java内存模型在单线程的环境下不会出现问题，但在多线程的环境下可能会出现脏数据，例如：如果有AB两个线程同时拿到变量i，进行递增操作。A线程将变量i放到自己的工作内存中，然后做+1操作，然而此时，线程A还没有将修改后的值刷回到主内存中，而此时线程B也从主内存中拿到修改前的变量i，也进行了一遍+1的操作。最后A和B线程将各自的结果分别刷回到主内存中，看到的结果就是变量i只进行了一遍+1的操作，而实际上A和B进行了两次累加的操作，于是就出现了错误。究其原因，是因为线程B读取到了变量i的脏数据的缘故。

此时如果对变量i加上volatile关键字修饰的话，它可以保证当A线程对变量i值做了变动之后，会立即刷回到主内存中，而其它线程读取到该变量的值也作废，强迫重新从主内存中读取该变量的值，这样在任何时刻，AB线程总是会看到变量i的同一个值。
volitale底层原理运用的是MESI原理

1.1 MESI缓存一致性协议

volatile可见性是通过汇编加上Lock前缀指令，触发底层的MESI缓存一致性协议来实现的。当然这个协议有很多种，不过最常用的就是MESI。MESI表示四种状态，如下所示：

image.png

假如说当前有一个cpu去主内存拿到一个变量x的值初始为1，放到自己的工作内存中。此时它的状态就是独享状态E，然后此时另外一个cpu也拿到了这个x的值，放到自己的工作内存中。此时之前那个cpu会不断地监听内存总线，发现这个x有多个cpu在获取，那么这个时候这两个cpu所获得的x的值的状态就都是共享状态S。然后第一个cpu将自己工作内存中x的值带入到自己的ALU计算单元去进行计算，返回来x的值变为2，接着会告诉给内存总线，将此时自己的x的状态置为修改状态M。而另一个cpu此时也会去不断的监听内存总线，发现这个x已经有别的cpu将其置为了修改状态，所以自己内部的x的状态会被置为无效状态I，等待第一个cpu将修改后的值刷回到主内存后，重新去获取新的值。这个谁先改变x的值可能是同一时刻进行修改的，此时cpu就会通过底层硬件在同一个指令周期内进行裁决，裁决是谁进行修改的，就置为修改状态，而另一个就置为无效状态，被丢弃或者是被覆盖（有争论）。

当然，MESI也会有失效的时候，缓存的最小单元是缓存行，如果当前的共享数据的长度超过一个缓存行的长度的时候，就会使MESI协议失败，此时的话就会触发总线加锁的机制，第一个线程cpu拿到这个x的时候，其他的线程都不允许去获取这个x的值。

2、禁止指令重排序

指令的执行顺序并不一定会像我们编写的顺序那样执行，为了保证执行上的效率，JVM（包括CPU）可能会对指令进行重排序。比方说下面的代码：

int i = 1;
int j = 2;
上述的两条赋值语句在同一个线程之中，根据程序上的次序，“int i = 1;”的操作要先行发生于“int j = 2;”，但是“int j = 2;”的代码完全可能会被处理器先执行。JVM会保证在单线程的情况下，重排序后的执行结果会和重排序之前的结果一致。但是在多线程的场景下就不一定了。最典型的例子就是双重检查加锁版的单例实现，代码如下所示：

public class Singleton {

private volatile static Singleton instance;

private Singleton() {}

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}

}
由上可以看到，instance变量被volatile关键字所修饰，但是如果去掉该关键字，就不能保证该代码执行的正确性。这是因为“instance = new Singleton();”这行代码并不是原子操作，其在JVM中被分为如下三个阶段执行：

1.为instance分配内存
2.初始化instance
3.将instance变量指向分配的内存空间
由于JVM可能存在重排序，上述的二三步骤没有依赖的关系，可能会出现先执行第三步，后执行第二步的情况。也就是说可能会出现instance变量还没初始化完成，其他线程就已经判断了该变量值不为null，结果返回了一个没有初始化完成的半成品的情况。而加上volatile关键字修饰后，可以保证instance变量的操作不会被JVM所重排序，每个线程都是按照上述一二三的步骤顺序的执行，这样就不会出现问题。

2.1 内存屏障

volitale的底层原理：
volatile有序性是通过内存屏障实现的。JVM和CPU都会对指令做重排优化，所以在指令间插入一个屏障点，就告诉JVM和CPU，不能进行重排优化。具体的会分为读读、读写、写读、写写屏障这四种，同时它也会有一些插入屏障点的策略，下面是JMM基于保守策略的内存屏障点插入策略：

3、不保证原子性

需要重点说明的一点是，尽管volatile关键字可以保证内存可见性和有序性，但不能保证原子性。也就是说，对volatile修饰的变量进行的操作，不保证多线程安全。所以如果要解决上面代码的多线程安全问题，可以采取加锁synchronized的方式，也可以使用JUC包下的原子类AtomicInteger，以下的代码演示了使用AtomicInteger来包装num变量的方式。

<meta charset="utf-8">

五、volatile 与 [synchronized] 的区别

1️⃣volatile 本质是在告诉 [JVM]当前变量在寄存器中的值是不确定的，需要从主存中读取。synchronized 则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。volatile 不会造成线程的阻塞，而 synchronized 会造成线程的阻塞。

2️⃣volatile 仅能使用在变量级别。synchronized 可以使用在变量、方法中。

3️⃣volatile 仅能实现变量的修改可见性，但不具备原子特性。而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性。

4️⃣volatile 标记的变量不会被编译器优化。synchronized 标记的变量可以被编译器优化。

参考文档：https://www.html.cn/qa/other/20717.html
https://www.techug.com/post/java-volatile-keyword.html