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一. CPU缓存结构
CPU为了解决CPU处理速度远大于内存读取速度的问题，引入了CPU高速缓存，如下所示。
其中L1与L2是CPU核独占，L3是CPU核共享，并且还有如下规则。
- L1 d-Cache是数据缓存，L1 i-Cache是指令缓存；
- CPU核需要从内存读取数据时，会先从L1读取，未读取到时再从L2读取，还未读取到时再从L3读取；
- 离CPU核越远，缓存容量越大，读取速度越慢。
二. 缓存一致性协议
CPU引入了高速缓存后，会导致多个CPU核之间的缓存一致性问题。首先CPU提供了一种总线锁的机制来解决缓存一致性问题，即通过锁总线的方式来让多个CPU核访问主存时互斥，属于粗粒度的加锁方式，会导致CPU性能急剧下降，所以CPU又采用了缓存一致性协议来解决缓存一致性问题。通常使用的缓存一致性协议为MESI，其具体说明如下。
- Modify。数据只缓存在当前CPU核的缓存行中，并且是被修改的，跟主内存的数据是不一致的；
- Exclusive。数据只缓存在当前CPU核的缓存行中，跟主内存的数据是一致的；
- Shared。数据缓存在多个CPU核的缓存行中，跟主内存的数据是一致的；
- Invalid。缓存行中的数据是无效的。
MESI协议可以理解为是对缓存进行加锁，相比于总线锁粒度更小，性能更好。关于MESI机制，可以使用MESI-Protocol网页工具进行演示和学习。（注：总线是为了CPU之间以及CPU与主存之间进行通信，所以总线上的指令执行必须是串行的。）
三. 指令重排
尽管MESI协议在解决缓存一致性问题时性能已经好于总线锁，但是还是会存在等待阻塞的问题，比如一个CPU核1更新变量的值后，需要等待这个更新操作通知到其它CPU核后才能继续执行后续的操作，那么这个等待过程对于CPU核1来说是阻塞的，所以为了解决这样的问题，CPU引入了Store Buffer和Invalid Queue。
考虑这样一个场景，初始主存中有变量a和变量b，且a和b在主存中的值均为0，同时核Cpu0将b缓存在了本地高速缓存中，核Cpu1将a缓存在了本地高速缓存中，假如Cpu0和Cpu1运行的代码如下所示。
Cpu0运行代码
a = 1;
b = 1;
Cpu1运行代码
while (b == 1) {
assert(a == 1);
}
上述代码可能出现的一个执行时序图如下所示。（下述时序图仅引入了Store Buffer）
按照正常逻辑来看，b的值如果为1，a的值一定为1，那么Cpu1执行的代码一定不会断言失败，但是根据上述时序图可知，由于引入了Store Buffer，Cpu1执行的代码断言失败，从CPU的层面看，是因为a = 1这条指令先入了Store Buffer，这条修改指令没有及时通知到其它CPU核，而从代码层面看，Cpu0执行代码的顺序发生了重排，重排后的代码表示如下。
b = 1;
a = 1;
上面讨论的情况就是发生了指令重排，表现到代码层面就是代码执行顺序发生了改变，而导致指令重排的原因就是CPU为了提升性能而做的一些优化，比如引入Store Buffer和Invalid Queue。
四. volatile关键字
有了前面的铺垫，现在开始分析volatile关键字的作用和原理。
- 被volatile关键字修饰的共享变量进行写操作的时候会被添加上LOCK指令，从而会引发两件事情。
- 将当前处理器缓存行的数据写回到主存；
- 由于缓存一致性协议，写回主存的操作会使其它处理器对该数据的缓存失效，从而需要重新从主存中加载最新数据。
- 被volatile关键字修饰的共享变量在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
上述第一点是volatile提供的可见性，上述第二点是volatile提供的有序性。
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