volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

• 对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
• 对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

对一个 volatile 变量的单个读/写操作，与对一个普通变量的读/写操作使用同一个锁来同步，它们之间的执行效果相同；也就是说对一个 volatile 变量的读，总是能看到(任意线程) 对这个 volatile 变量最后的写入。

值得注意的是：Java 内存模型对 volatile 语义的扩展保证了 volatile 变量在一些情况下不会重排序，volatile 的 64 位变量 double 和 long 的读取和赋值操作都是原子的。如果是多个 volatile 操作或类似于 volatile++ 这种复合操作，这些操作整体上不具有原子性。

简而言之，volatile 变量自身具有一下特性：

• 可见性：对一个 volatile 变量的读，总是能看到(任意线程) 对这个 volatile 变量最后的写入。
• 原子性：对任意单个 volatile 变量的读/写具有原子性，但是类似于 volatile++ 这种符合操作不具有原子性。

volatile 写-读的内存语义

当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程栈中的共享变量值刷新到主内存，使主内存和该线程栈中的共享变量的值是一致的。

当读一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程栈中的共享变量的值置为无效，随后线程会从主内存中重新读取共享变量。

下面对 volatile 写和 volatile 读的内存语义做个总结：

• 线程 A 写一个 volatile 变量，实质上是线程 A 向接下来将要读这个 volatile 变量的某个线程发出了(这个变量已经被修改的)信息。
• 线程 B 读一个 volatile 变量，实质上是线程 B 接收了之前某个线程发出的(在写这个 volatile 变量之前对共享变量所做修改的)信息。
• 线程 A 写一个 volatile 变量，随后线程 B 读这个 volatile 变量，这个过程实质上是线程 A 通过主内存想线程 B 发送消息。

简而言之：线程 A 修改了 volatile 变量，通过主内存发送消息到下一个要读 volatile 变量的线程；然后读的这个线程会将线程栈中的这个 volatile 变量置为无效，然后重新从主内存中读取。

volatile 内存语义的实现

volatile 实现 JVM 必须遵循以下重排序规则：

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 都之前。
• 当第一个操作是 volatile 写，第二个操作是 volatile 读时，不能重排序。

留白的单元格代表允许在不违反Java基本语义的情况下重排序。例如，编译器不会对对同一内存地址的读和写操作重排序，但是允许对不同地址的读和写操作重排序。

为了实现 volatile 的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止听顶类型的处理器重排序。下面是基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略：

• 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。
• 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。
• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。
• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。

下面是保守策略下，volatile 写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

上图中的 StoreStore 屏障可以保证在 volatile 写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为 StoreStore 屏障将保障上面所有的普通写在 volatile 写之前刷新到主内存。

StoreLoad 屏障避免 volatile 写与后面可能有的 volatile 读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个 volatile 写的后面，是否需要插入一个 StoreLoad 屏障(比如，一个 volatile 写之后方法立即 return)。为了保证能正确实现 volatile 的内存语义，JMM 在这里采取了保守策略：在每个 volatile 写的后面或在每个 volatile 读的前面插入一个 StoreLoad 屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM 选择了在每个 volatile 写的后面插入一个 StoreLoad 屏障。

下面是在保守策略下，volatile 读插入内存屏障后发生的指令序列示意图：

上图的 LoadLoad 屏障用来禁止处理器把上面的 volatile 读与下面的普通读重排序。LoadStore 屏障用来禁止处理器吧上面的 volatile 读与下面的普通写重排序。

保证可见性

保证有序性

保证