2019独角兽企业重金招聘Python工程师标准>>> 
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: 12912109volatile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：
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()) { } } 输出：有时输出"--initialized once."一次，有时输出好几次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。
