【JVM】从硬件层面和应用层面的有序性和可见性，到Java的volatile和synchronized

Java的关键字volatile保证了有序性和可见性，这里我试着从底层开始讲一下有序性和可见性。

一，一致性

数据如果同时被两个cpu读取了，如何保证数据的一致性？或者换句话说，cpu1改了数据，cpu2的数据就成了无效的数据，如何保证cpu读取的数据是有效的呢？

在计算机技术比较古老的时候，采用的解决办法就是总线锁，即锁住cpu到内存的cpu总线[3]，如此，同时最多仅能有一个cpu访问数据，但是这样带来的坏处是显而易见的，就是并发能力很低。

另外一种比较现代的解决方式就是CPU缓存一致性协议，也可以叫缓存锁。最常见的是Intel实现的是MESI协议，MESI（Modified Exclusive Shared Or Invalid）(也称为伊利诺斯协议，是因为该协议由伊利诺斯州立大学提出）是一种广泛使用的支持写回策略的缓存一致性协议。CPU中每个缓存行（caceh line)使用4种状态进行标记（使用额外的两位(bit)表示)，分别是[4]：

M: 被修改（Modified)
该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。
当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E: 独享的（Exclusive)
该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。
同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

S: 共享的（Shared)
该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

I: 无效的（Invalid）
该缓存是无效的（可能有其它CPU修改了该缓存行）。

需要注意的是，这些标识了状态位的缓存行是存储在cpu私有的cpu高速缓存中（L1、L2）。可以看到，cpu根据缓存行的状态位进行判断，进而读取、或者重新从共享主存中读取、或者在别的cpu读取共享主存数据之前写入。

这样，我们通过缓存锁（实质上这里举例的是MESI协议），在某些情况下达到了确保一致性。

为什么是“有些情况”呢？因为在数据无法被缓存的情况下、或者数据跨越多个缓存行的情况下，依然需要使用总线锁来解决一致性问题。

二，有序性

说起保证有序性，在此之前，我想我们需要先看一下，如何证明，代码会被cpu乱序执行。网上有这样一段代码，可以证明。

    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b =0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
        int i = 0;
        for(;;) {
   
            i++;
            x = 0; y = 0;
            a = 0; b = 0;