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并使其最新值在所有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：

1234	mov???0xc(%r10),%r8d ; Loadinc??? %r8d?????????? ; Incrementmov??? %r8d,0xc(%r10) ; Storelock 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，相當于告訴CPU和編譯器先于這個命令的必須先執行，后于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。這意味著如果你對一個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，并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：

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940

????private?static?volatile?long?_longVal = 0;?????????private?static?class?LoopVolatileimplements?Runnable {????????public?void?run() {????????????long?val = 0;????????????while?(val < 10000000L) {????????????????_longVal++;????????????????val++;????????????}????????}????}?????????private?static?class?LoopVolatile2implements?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: 11223828final?val is: 17567127final?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：

1234567891011121314

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：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233

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：

123456789

@ThreadSafepublic?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：

12345

@ThreadSafepublic?class?EagerInitialization { ??private?static?Resource resource = new?Resource();??public?static?Resource getResource() { return?resource; } }

延遲初始化的寫法：

123456789

@ThreadSafepublic?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）

12345678910111213141516

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（比較并交換）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：

1234567891011121314151617

public?class?AtomicLongextends?Numberimplements?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：

123456789

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：

1234	mov???0xc(%r11),%eax?????? ; Loadmov??? %eax,%r8d??????????? inc??? %r8d???????????????? ; Incrementlock cmpxchg %r8d,0xc(%r11) ; Compare and exchange

因為CAS是基于樂觀鎖的，也就是說當寫入的時候，如果寄存器舊值已經不等于現值，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。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的为什么volatile不能保证原子性而Atomic可以？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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