原文：https://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html
在上篇《非阻塞同步算法與CAS(Compare and Swap)無鎖算法》中講到在Java中l(wèi)ong賦值不是原子操作，因?yàn)橄葘?2位，再寫后32位，分兩步操作，而AtomicLong賦值是原子操作，為什么？為什么volatile能替代簡單的鎖，卻不能保證原子性？這里面涉及volatile，是java中的一個(gè)我覺得這個(gè)詞在Java規(guī)范中從未被解釋清楚的神奇關(guān)鍵詞，在Sun的JDK官方文檔是這樣形容volatile的：
The Java programming language provides a second mechanism, volatile fields, that is more convenient than locking for some purposes. A field may be declared volatile, in which case the Java Memory Model ensures that all threads see a consistent value for the variable.
意思就是說，如果一個(gè)變量加了volatile關(guān)鍵字，就會(huì)告訴編譯器和JVM的內(nèi)存模型：這個(gè)變量是對所有線程共享的、可見的，每次jvm都會(huì)讀取最新寫入的值并使其最新值在所有CPU可見。volatile似乎是有時(shí)候可以代替簡單的鎖，似乎加了volatile關(guān)鍵字就省掉了鎖。但又說volatile不能保證原子性（java程序員很熟悉這句話：volatile僅僅用來保證該變量對所有線程的可見性，但不保證原子性）。這不是互相矛盾嗎？
不要將volatile用在getAndOperate場合，僅僅set或者get的場景是適合volatile的
不要將volatile用在getAndOperate場合（這種場合不原子，需要再加鎖），僅僅set或者get的場景是適合volatile的。
volatile沒有原子性舉例：AtomicInteger自增
例如你讓一個(gè)volatile的integer自增（i++），其實(shí)要分成3步：1）讀取volatile變量值到local； 2）增加變量的值；3）把local的值寫回，讓其它的線程可見。這3步的jvm指令為：
|
1
2
3
4
|
mov 0xc``(%r10),%r8d ; Load
inc %r8d ; Increment
mov %r8d,``0xc``(%r10) ; Store
lock addl $``0x0``,(%rsp) ; StoreLoad Barrier
|
注意最后一步是內(nèi)存屏障。
什么是內(nèi)存屏障（Memory Barrier）？
內(nèi)存屏障（memory barrier）是一個(gè)CPU指令。基本上，它是這樣一條指令： a) 確保一些特定操作執(zhí)行的順序； b) 影響一些數(shù)據(jù)的可見性(可能是某些指令執(zhí)行后的結(jié)果)。編譯器和CPU可以在保證輸出結(jié)果一樣的情況下對指令重排序，使性能得到優(yōu)化。插入一個(gè)內(nèi)存屏障，相當(dāng)于告訴CPU和編譯器先于這個(gè)命令的必須先執(zhí)行，后于這個(gè)命令的必須后執(zhí)行。內(nèi)存屏障另一個(gè)作用是強(qiáng)制更新一次不同CPU的緩存。例如，一個(gè)寫屏障會(huì)把這個(gè)屏障前寫入的數(shù)據(jù)刷新到緩存，這樣任何試圖讀取該數(shù)據(jù)的線程將得到最新值，而不用考慮到底是被哪個(gè)cpu核心或者哪顆CPU執(zhí)行的。
內(nèi)存屏障（memory barrier）和volatile什么關(guān)系？上面的虛擬機(jī)指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java內(nèi)存模型將在寫操作后插入一個(gè)寫屏障指令，在讀操作前插入一個(gè)讀屏障指令。這意味著如果你對一個(gè)volatile字段進(jìn)行寫操作，你必須知道：1、一旦你完成寫入，任何訪問這個(gè)字段的線程將會(huì)得到最新的值。2、在你寫入前，會(huì)保證所有之前發(fā)生的事已經(jīng)發(fā)生，并且任何更新過的數(shù)據(jù)值也是可見的，因?yàn)閮?nèi)存屏障會(huì)把之前的寫入值都刷新到緩存。
volatile為什么沒有原子性?
明白了內(nèi)存屏障（memory barrier）這個(gè)CPU指令，回到前面的JVM指令：從Load到store到內(nèi)存屏障，一共4步，其中最后一步j(luò)vm讓這個(gè)最新的變量的值在所有線程可見，也就是最后一步讓所有的CPU內(nèi)核都獲得了最新的值，但中間的幾步（從Load到Store）是不安全的，中間如果其他的CPU修改了值將會(huì)丟失。下面的測試代碼可以實(shí)際測試voaltile的自增沒有原子性：
volatile沒有原子性舉例：singleton單例模式實(shí)現(xiàn)
這是一段線程不安全的singleton（單例模式）實(shí)現(xiàn)，盡管使用了volatile：
public class wrongsingleton {
private static volatile wrongsingleton _instance = null``;
private wrongsingleton() {}
public static wrongsingleton getInstance() {
if (_instance == null``) {
_instance = new wrongsingleton();
}
return _instance;
}
}
|
下面的測試代碼可以測試出是線程不安全的：
原因自然和上面的例子是一樣的。因?yàn)?strong>volatile保證變量對線程的可見性，但不保證原子性。
附：正確線程安全的單例模式寫法：
@ThreadSafe
public class SafeLazyInitialization {
private static Resource resource;
public synchronized static Resource getInstance() {
if (resource == null``)
resource = new Resource();
return resource;
}
}
另外一種寫法：
@ThreadSafe
public class EagerInitialization {
private static Resource resource = new Resource();
public static Resource getResource() { return resource; }
}
延遲初始化的寫法：
@ThreadSafe
public class ResourceFactory {
private static class ResourceHolder {
public static Resource resource = new Resource();
}
public static Resource getResource() {
return ResourceHolder.resource ;
}
}
二次檢查鎖定/Double Checked Locking的寫法（反模式）
public class SingletonDemo {
private static volatile SingletonDemo instance = null``;``//注意需要volatile
private SingletonDemo() { }
public static SingletonDemo getInstance() {
if (instance == null``) { //二次檢查，比直接用獨(dú)占鎖效率高
synchronized (SingletonDemo .``class``){
if (instance == null``) {
instance = new SingletonDemo ();
}
}
}
return instance;
}
}
|
為什么AtomicXXX具有原子性和可見性？
就拿AtomicLong來說，它既解決了上述的volatile的原子性沒有保證的問題，又具有可見性。它是如何做到的？當(dāng)然就是上文《非阻塞同步算法與CAS(Compare and Swap)無鎖算法》提到的CAS（比較并交換）指令。 其實(shí)AtomicLong的源碼里也用到了volatile，但只是用來讀取或?qū)懭?，見源碼：
public class AtomicLong extends Number implements java.io.Serializable {
private volatile long value;
/**
* Creates a new AtomicLong with the given initial value.
*
* @param initialValue the initial value
*/
public AtomicLong(``long initialValue) {
value = initialValue;
}
/**
* Creates a new AtomicLong with initial value {@code 0}.
*/
public AtomicLong() {
}
|
其CAS源碼核心代碼為：
int compare_and_swap (``int``* reg, int oldval, int newval)
{
ATOMIC();
int old_reg_val = *reg;
if (old_reg_val == oldval)
*reg = newval;
END_ATOMIC();
return old_reg_val;
}
虛擬機(jī)指令為：
mov 0xc``(%r11),%eax ; Load
mov %eax,%r8d
inc %r8d ; Increment
lock cmpxchg %r8d,``0xc``(%r11) ; Compare and exchange
|
因?yàn)镃AS是基于樂觀鎖的，也就是說當(dāng)寫入的時(shí)候，如果寄存器舊值已經(jīng)不等于現(xiàn)值，說明有其他CPU在修改，那就繼續(xù)嘗試。所以這就保證了操作的原子性。
