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long賦值不是原子操作，因為先寫32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中的一個我覺得這個詞在Java規范中從未被解釋清楚的神奇關鍵詞，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，如果一個變量加了volatile關鍵字，就會告訴編譯器和JVM的內存模型：這個變量是對所有線程共享的、可見的，每次jvm都會讀取最新寫入的值並使其最新值在所有CPU可見。volatile似乎是有時候可以代替簡單的鎖，似乎加了volatile關鍵字就省掉了鎖。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volatile的integer自增（i++），其實要分成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：
mov 0xc(%r10),%r8d ; Load inc %r8d ; Increment mov %r8d,0xc(%r10) ; Store lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier
注意最后一步是內存屏障。
什么是內存屏障（Memory Barrier）？
內存屏障（memory barrier）是一個CPU指令。基本上，它是這樣一條指令： a) 確保一些特定操作執行的順序； b) 影響一些數據的可見性(可能是某些指令執行后的結果)。編譯器和CPU可以在保證輸出結果一樣的情況下對指令重排序，使性能得到優化。插入一個內存屏障，相當於告訴CPU和編譯器先於這個命令的必須先執行，后於這個命令的必須后執行。內存屏障另一個作用是強制更新一次不同CPU的緩存。例如，一個寫屏障會把這個屏障前寫入的數據刷新到緩存，這樣任何試圖讀取該數據的線程將得到最新值，而不用考慮到底是被哪個cpu核心或者哪顆CPU執行的。
內存屏障（memory barrier）和volatile什么關系？上面的虛擬機指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java內存模型將在寫操作后插入一個寫屏障指令，在讀操作前插入一個讀屏障指令。這意味着如果你對一個volatile字段進行寫操作，你必須知道：1、一旦你完成寫入，任何訪問這個字段的線程將會得到最新的值。2、在你寫入前，會保證所有之前發生的事已經發生，並且任何更新過的數據值也是可見的，因為內存屏障會把之前的寫入值都刷新到緩存。
volatile為什么沒有原子性?
明白了內存屏障（memory barrier）這個CPU指令，回到前面的JVM指令：從Load到store到內存屏障，一共4步，其中最后一步jvm讓這個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修改了值將會丟失。下面的測試代碼可以實際測試voaltile的自增沒有原子性：
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沒有原子性舉例：singleton單例模式實現
這是一段線程不安全的singleton（單例模式）實現，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：
public class wrongsingleton {
private static volatile wrongsingleton _instance = null;
private wrongsingleton() {}
public static wrongsingleton getInstance() {
if (_instance == null) {
_instance = new wrongsingleton();
System.out.println("--initialized once.");
}
return _instance;
}
}
private static void testInit(){
Thread t1 = new Thread(new LoopInit());
Thread t2 = new Thread(new LoopInit2());
Thread t3 = new Thread(new LoopInit());
Thread t4 = new Thread(new LoopInit2());
t1.start();
t2.start();
t3.start();
t4.start();
while (t1.isAlive() || t2.isAlive() || t3.isAlive()|| t4.isAlive()) {
}
}
輸出：有時輸出"--initialized once."一次，有時輸出好幾次
原因自然和上面的例子是一樣的。因為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（比較並交換）指令。 其實AtomicLong的源碼里也用到了volatile，但只是用來讀取或寫入，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;
}
虛擬機指令為：
mov 0xc(%r11),%eax ; Load mov %eax,%r8d inc %r8d ; Increment lock cmpxchg %r8d,0xc(%r11) ; Compare and exchange
因為CAS是基於樂觀鎖的，也就是說當寫入的時候，如果寄存器舊值已經不等於現值，說明有其他CPU在修改，那就繼續嘗試。所以這就保證了操作的原子性。
