在上篇《非阻塞同步演算法與CAS(Compare and Swap)無鎖演算法》中講到在Java中long賦值不是原子操作，因為先寫32位，再寫後32位，分兩步操作，而AtomicLong賦值是原子操作，為什麼？為什麼volatile能替代簡單的鎖，卻不能保證原子性？這裡面涉及volatile，是java中的一個我覺得這個詞在Java規範中從未被解釋清楚的神奇關鍵詞，在Sun的JDK官方文件是這樣形容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，如果一個變數加了volatile關鍵字，就會告訴編譯器和JVM的記憶體模型：這個變數是對所有執行緒共享的、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程式設計師很熟悉這句話：volatile僅僅用來保證該變數對所有執行緒的可見性，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變數值到local； 2）增加變數的值；3）把local的值寫回，讓其它的執行緒可見。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

注意最後一步是記憶體屏障。

什麼是記憶體屏障（Memory Barrier）？

記憶體屏障（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) 影響一些資料的可見性(可能是某些指令執行後的結果)。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，使效能得到優化。插入一個記憶體屏障，相當於告訴CPU和編譯器先於這個命令的必須先執行，後於這個命令的必須後執行。記憶體屏障另一個作用是強制更新一次不同CPU的快取。例如，一個寫屏障會把這個屏障前寫入的資料重新整理到快取，這樣任何試圖讀取該資料的執行緒將得到最新值，而不用考慮到底是被哪個cpu核心或者哪顆CPU執行的。

記憶體屏障（memory barrier）和volatile什麼關係？上面的虛擬機器指令裡面有提到，如果你的欄位是volatile，Java記憶體模型將在寫操作後插入一個寫屏障指令，在讀操作前插入一個讀屏障指令。這意味著如果你對一個volatile欄位進行寫操作，你必須知道：1、一旦你完成寫入，任何訪問這個欄位的執行緒將會得到最新的值。2、在你寫入前，會保證所有之前發生的事已經發生，並且任何更新過的資料值也是可見的，因為記憶體屏障會把之前的寫入值都重新整理到快取。

volatile為什麼沒有原子性?

明白了記憶體屏障（memory barrier）這個CPU指令，回到前面的JVM指令：從Load到store到記憶體屏障，一共4步，其中最後一步jvm讓這個最新的變數的值在所有執行緒可見，也就是最後一步讓所有的CPU核心都獲得了最新的值，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。下面的測試程式碼可以實際測試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

這是一段執行緒不安全的singleton（單例模式）實現，儘管使用了volatile：

public class wrongsingleton {
	private static volatile wrongsingleton _instance = null; 

	private wrongsingleton() {}

	public static wrongsingleton getInstance() {

		if (_instance == null) {
			_instance = new wrongsingleton();
		}

		return _instance;
	}
}

下面的測試程式碼可以測試出是執行緒不安全的：

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保證變數對執行緒的可見性，但不保證原子性。

附：正確執行緒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，比直接用獨佔鎖效率高
               synchronized (SingletonDemo .class){
			        if (instance == null) {
                               instance = new SingletonDemo (); 
                    }
             }
		}
		return instance;
	}
}

為什麼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《非阻塞同步演算法與CAS(Compare and Swap)無鎖演算法》提到的CAS（比較並交換）指令。 其實AtomicLong的原始碼裡也用到了volatile，但只是用來讀取或寫入，見原始碼：

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原始碼核心程式碼為：

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;
}

虛擬機器指令為：

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，如果暫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。