volatile機制詳述（可見性、原子性解釋）
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：
| 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：
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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |
publicclasswrongsingleton
{
privatestaticvolatilewrongsingleton
_instance = null;
privatewrongsingleton()
{}
publicstaticwrongsingleton
getInstance() {
if(_instance
== null)
{
_instance
= newwrongsingleton();
}
return_instance;
}
}
|
下面的測試程式碼可以測試出是執行緒不安全的：
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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
@ThreadSafe
publicclassSafeLazyInitialization
{
privatestaticResource
resource;
publicsynchronizedstaticResource
getInstance() {
if(resource
== null)
resource
= newResource();
returnresource;
}
}
|
另外一種寫法：
| 1 2 3 4 5 |
@ThreadSafe
publicclassEagerInitialization
{
privatestaticResource
resource = newResource();
publicstaticResource
getResource() { returnresource;
}
}
|
延遲初始化的寫法：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
@ThreadSafe
publicclassResourceFactory
{
privatestaticclassResourceHolder
{
publicstaticResource
resource = newResource();
}
publicstaticResource
getResource() {
returnResourceHolder.resource
;
}
}
|
二次檢查鎖定/Double Checked Locking的寫法（反模式）
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
publicclassSingletonDemo
{
privatestaticvolatileSingletonDemo
instance = null;//注意需要volatile
privateSingletonDemo()
{ }
publicstaticSingletonDemo
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
= newSingletonDemo
();
}
}
}
returninstance;
}
}
|
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：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 |
publicclassAtomicLong
extendsNumber
implementsjava.io.Serializable
{
privatevolatilelongvalue;
/**
*
Creates a new AtomicLong with the given initial value.
*
*
@param initialValue the initial value
*/
publicAtomicLong(longinitialValue)
{
value
= initialValue;
}
/**
*
Creates a new AtomicLong with initial value {@code 0}.
*/
publicAtomicLong()
{
}
|
其CAS原始碼核心程式碼為：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
intcompare_and_swap
(int*
reg, intoldval,
intnewval)
{
ATOMIC();
intold_reg_val
= *reg;
if(old_reg_val
== oldval)
*reg
= newval;
END_ATOMIC();
returnold_reg_val;
}
|
虛擬機器指令為：
| 1 2 3 4 |
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。
