爲什麼volatile不能保證原子性而Atomic可以（valatile只保證可見性，不保證原子性）

http://blog.chinaunix.net/uid-23629988-id-3166124.html

現在volatile的情況已經明瞭。volatile只提供了保證訪問該變量時，每次都是從內存中讀取最新值，並不會使用寄存器緩存該值——每次都會從內存中讀取。而對該變量的修改，volatile並不提供原子性的保證。那麼編譯器究竟是直接修改內存的值，還是使用寄存器修改都符合volatile的定義。所以，一句話，volatile並不提供原子性的保證。

http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html#

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，因爲先寫32位，再寫後32位，分兩步操作，而AtomicLong賦值是原子操作，爲什麼？爲什麼volatile能替代簡單的鎖，卻不能保證原子性？這裏面涉及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指令爲：

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mov   0xc(%r10),%r8d ; Load inc    %r8d           ; Increment mov    %r8d,0xc(%r10) ; Store lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier

注意最後一步是內存屏障。

什麼是內存屏障（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，後於這個命令的必須後執行。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什麼關係？上面的虛擬機指令裏面有提到，如果你的字段是volatile，Java內存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，因爲內存屏障會把之前的寫入值都刷新到緩存。

volatile爲什麼沒有原子性?

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，其中最後一步jvm讓這個最新的變量的值在所有線程可見，也就是最後一步讓所有的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：

+ View Code

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，儘管使用了volatile：

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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：

+ View Code

原因自然和上面的例子是一樣的。因爲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：

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@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：

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

延遲初始化的寫法：

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@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）

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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;     } }

爲什麼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的源碼裏也用到了volatile，但只是用來讀取或寫入，見源碼：

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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源碼核心代碼爲：

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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; }

虛擬機指令爲：

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mov   0xc(%r11),%eax       ; Load mov    %eax,%r8d            inc    %r8d                 ; Increment lock cmpxchg %r8d,0xc(%r11) ; Compare and exchange

因爲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。