为什么volatile不能保证原子性？

在上篇《非阻塞同步算法与cas(compare and swap)无锁算法》中讲到在java中long赋值不是原子操作，因为先写32位，再写后32位，分两步操作，而atomiclong赋值是原子操作，为什么？为什么volatile能替代简单的锁，却不能保证原子性？这里面涉及volatile，是java中的一个我觉得这个词在java规范中从未被解释清楚的神奇关键词，在sun的jdk官方文档是这样形容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.

意思就是说，如果一个变量加了volatile关键字，就会告诉编译器和jvm的内存模型：这个变量是对所有线程共享的、可见的，每次jvm都会读取最新写入的值并使其最新值在所有cpu可见。volatile似乎是有时候可以代替简单的锁，似乎加了volatile关键字就省掉了锁。但又说volatile不能保证原子性（java程序员很熟悉这句话：volatile仅仅用来保证该变量对所有线程的可见性，但不保证原子性）。这不是互相矛盾吗？

不要将volatile用在getandoperate场合，仅仅set或者get的场景是适合volatile的

不要将volatile用在getandoperate场合（这种场合不原子，需要再加锁），仅仅set或者get的场景是适合volatile的。

volatile没有原子性举例：atomicinteger自增

例如你让一个volatile的integer自增（i++），其实要分成3步：1）读取volatile变量值到local； 2）增加变量的值；3）把local的值写回，让其它的线程可见。这3步的jvm指令为：

mov    0xc(%r10),%r8d ; load

inc    %r8d           ; increment

mov    %r8d,0xc(%r10) ; store

lock addl $0x0,(%rsp) ; storeload barrier

注意最后一步是内存屏障。

什么是内存屏障（memory barrier）？

内存屏障（memory barrier）是一个cpu指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和cpu可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉cpu和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同cpu的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗cpu执行的。

内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，如果你的字段是volatile，java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作，你必须知道：1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

volatile为什么没有原子性?

明白了内存屏障（memory barrier）这个cpu指令，回到前面的jvm指令：从load到store到内存屏障，一共4步，其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在所有线程可见，也就是最后一步让所有的cpu内核都获得了最新的值，但中间的几步（从load到store）是不安全的，中间如果其他的cpu修改了值将会丢失。下面的测试代码可以实际测试voaltile的自增没有原子性：

    private static volatile long _longval = 0;

     

    private static class loopvolatile implements runnable {

        public void run() {

            long val = 0;

            while (val < 10000000l) {

                _longval++;

                val++;

            }

        }

    }

     

    private static class loopvolatile2 implements runnable {

        public void run() {

            long val = 0;

            while (val < 10000000l) {

                _longval++;

                val++;

            }

        }

    }

     

    private  void testvolatile(){

        thread t1 = new thread(new loopvolatile());

        t1.start();

         

        thread t2 = new thread(new loopvolatile2());

        t2.start();

         

        while (t1.isalive() || t2.isalive()) {

        }

 

        system.out.println("final val is: " + _longval);

    }

 

output:-------------

     

final val is: 11223828

final val is: 17567127

final val is: 12912109

volatile没有原子性举例：singleton单例模式实现

这是一段线程不安全的singleton（单例模式）实现，尽管使用了volatile：

public class wrongsingleton {

    private static volatile wrongsingleton _instance = null;

 

    private wrongsingleton() {}

 

    public static wrongsingleton getinstance() {

 

        if (_instance == null) {

            _instance = new wrongsingleton();

        }

 

        return _instance;

    }

}

下面的测试代码可以测试出是线程不安全的：

+ view code

原因自然和上面的例子是一样的。因为volatile保证变量对线程的可见性，但不保证原子性。

附：正确线程安全的单例模式写法：

@threadsafe

public class safelazyinitialization {

   private static resource resource;

   public synchronized static resource getinstance() {

      if (resource == null)

          resource = new resource();

      return resource;

    }

}

另外一种写法：

@threadsafe

public class eagerinitialization {

  private static resource resource = new resource();

  public static resource getresource() { return resource; }

}

延迟初始化的写法：

@threadsafe

public class resourcefactory {

    private static class resourceholder {

        public static resource resource = new resource();

    }

    public static resource getresource() {

        return resourceholder.resource ;

    }

}

二次检查锁定/double checked locking的写法（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) { //二次检查，比直接用独占锁效率高

               synchronized (singletondemo .class){

                    if (instance == null) {

                               instance = new singletondemo ();

                    }

             }

        }

        return instance;

    }

}

为什么atomicxxx具有原子性和可见性？

就拿atomiclong来说，它既解决了上述的volatile的原子性没有保证的问题，又具有可见性。它是如何做到的？当然就是上文《非阻塞同步算法与cas(compare and swap)无锁算法》提到的cas（比较并交换）指令。 其实atomiclong的源码里也用到了volatile，但只是用来读取或写入，见源码：

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源码核心代码为：

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;

}

虚拟机指令为：

mov    0xc(%r11),%eax       ; load

mov    %eax,%r8d           

inc    %r8d                 ; increment

lock cmpxchg %r8d,0xc(%r11) ; compare and exchange

因为cas是基于乐观锁的，也就是说当写入的时候，如果寄存器旧值已经不等于现值，说明有其他cpu在修改，那就继续尝试。所以这就保证了操作的原子性。

 

 

转载：http://www.cnblogs.com/mainz/p/3556430.html#