Volatile含义
- 在Java多线程并发编程中，volatile关键词扮演着重要角色，它是轻量级的synchronized，在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。“可见性”的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。如果一个字段被声明为volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。与synchronized不同，volatile变量不会引起线程上下文的切换和调度，在适合的场景下拥有更低的执行成本和更高的效率
CPU缓存
- CPU缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多，举个例子：
- 一次主内存的访问通常在几十到几百个时钟周期
- 一次L1高速缓存的读写只需要1~2个时钟周期
- 一次L2高速缓存的读写也只需要数十个时钟周期
这种访问速度的显著差异，导致CPU可能会花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存
基于此，现在CPU大多数情况下读写都不会直接访问内存（CPU都没有连接到内存的管脚），取而代之的是CPU缓存，CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小得多但是交换速度却比内存快得多。而缓存中的数据是内存中的一小部分数据，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先从缓存中读取，从而加快读取速度
按照读取顺序与CPU结合的紧密程度，CPU缓存可分为：
- 一级缓存：简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存。
- 二级缓存：简称L2 Cache，分内部和外部两种芯片，内部芯片二级缓存运行速度与主频相同，外部芯片二级缓存运行速度则只有主频的一半。
- 三级缓存：简称L3 Cache，部分高端CPU才有
每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分，这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的，所以其容量也相对递增
当CPU要读取一个数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取
CPU缓存带来的问题
- 用一张图表示一下 CPU –> CPU缓存 –> 主内存 数据读取之间的关系：
当系统运行时，CPU执行计算的过程如下：
- 程序以及数据被加载到主内存
- 指令和数据被加载到CPU缓存
- CPU执行指令，把结果写到高速缓存
- 高速缓存中的数据写回主内存
如果服务器是单核CPU，那么这些步骤不会有任何的问题，但是如果服务器是多核CPU，那么问题来了，以Intel Core i7处理器的高速缓存概念模型为例（图片来自《深入理解计算机系
试想下面一种情况：
- 核0读取了一个字节，根据局部性原理，它相邻的字节同样被被读入核0的缓存
- 核3做了上面同样的工作，这样核0与核3的缓存拥有同样的数据
- 核0修改了那个字节，被修改后，那个字节被写回核0的缓存，但是该信息并没有写回主存
- 核3访问该字节，由于核0并未将数据写回主存，数据不同步
为了解决这一问题，CPU制造商规定了一个缓存一致性协议
缓存一致性协议
- 每个CPU都有一级缓存，但是，我们却无法保证每个CPU的一级缓存数据都是一样的。 所以同一个程序，CPU进行切换的时候，切换前和切换后的数据可能会有不一致的情况。那么这个就是一个很大的问题了。 如何保证各个CPU缓存中的数据是一致的。就是CPU的缓存一致性问题
总线锁
一种处理一致性问题的办法是使用Bus Locking（总线锁）。当一个CPU对其缓存中的数据进行操作的时候，往总线中发送一个Lock信号。 这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。
但是用锁的方式总是避不开性能问题。总线锁总是会导致CPU的性能下降。所以出现另外一种维护CPU缓存一致性的方式，MESI
MESI
MESI是保持一致性的协议。它的方法是在CPU缓存中保存一个标记位，这个标记位有四种状态:
- M: Modify，修改缓存，当前CPU的缓存已经被修改了，即与内存中数据已经不一致了；
- E: Exclusive，独占缓存，当前CPU的缓存和内存中数据保持一致，而且其他处理器并没有可使用的缓存数据；
- S: Share，共享缓存，和内存保持一致的一份拷贝，多组缓存可以同时拥有针对同一内存地址的共享缓存段；
- I: Invalid，失效缓存，这个说明CPU中的缓存已经不能使用了
CPU的读取遵循下面几点：
- 如果缓存状态是I，那么就从内存中读取，否则就从缓存中直接读取。
- 如果缓存处于M或E的CPU读取到其他CPU有读操作，就把自己的缓存写入到内存中，并将自己的状态设置为S。
- 只有缓存状态是M或E的时候，CPU才可以修改缓存中的数据，修改后，缓存状态变为M
这样，每个CPU都遵循上面的方式则CPU的效率就提高上来了
volatile两大作用
- 保证内存可见性
- 防止指令重排