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l(wèi)ong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(guī)范中從未被解釋清楚的神奇關(guān)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(guān)鍵字，就會告訴編譯器和JVM的內(nèi)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(guān)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（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。
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：
1 2 3 4 | mov 0xc(%r10),%r8d ; Loadinc %r8d ; Incrementmov %r8d,0xc(%r10) ; Storelock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier |
注意最后一步是內(nèi)存屏障。
內(nèi)存屏障（memory barrier）是一個CPU指令?；旧?，它是這樣一條指令： a) 確保一些特定操作執(zhí)行的順序； b) 影響一些數(shù)據(jù)的可見性(可能是某些指令執(zhí)行后的結(jié)果)。編譯器和CPU可以在保證輸出結(jié)果一樣的情況下對指令重排序，使性能得到優(yōu)化。插入一個內(nèi)存屏障，相當于告訴CPU和編譯器先于這個命令的必須先執(zhí)行，后于這個命令的必須后執(zhí)行。內(nèi)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(shù)據(jù)刷新到緩存，這樣任何試圖讀取該數(shù)據(jù)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(zhí)行的。
內(nèi)存屏障（memory barrier）和volatile什么關(guān)系？上面的虛擬機指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java內(nèi)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(fā)生的事已經(jīng)發(fā)生，并且任何更新過的數(shù)據(jù)值也是可見的，因為內(nèi)存屏障會把之前的寫入值都刷新到緩存。
明白了內(nèi)存屏障（memory barrier）這個CPU指令，回到前面的JVM指令：從Load到store到內(nèi)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(nèi)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：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 | 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: 11223828final val is: 17567127final val is: 12912109 |
這是一段線程不安全的singleton（單例模式）實現(xiàn)，盡管使用了volatile：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | 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：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 | 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：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | @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：
1 2 3 4 5 | @ThreadSafepublic class EagerInitialization { private static Resource resource = new Resource(); public static Resource getResource() { return resource; } } |
延遲初始化的寫法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | @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）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 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; }} |
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?qū)懭耄娫创a：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | 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源碼核心代碼為：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | 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：
1 2 3 4 | 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(jīng)不等于現(xiàn)值，說明有其他CPU在修改，那就繼續(xù)嘗試。所以這就保證了操作的原子性。
