Java中的volatile关键字为什么不是不具有原子性

Posted 2020-09-24 平常心

Java中long赋值不是原子操作，因为先写32位，再写后32位，分两步操作，而AtomicLong赋值是原子操作，为什么？为什么volatile能替代简单的锁，却不能保证原子性？这里面涉及volatile，是java中的一个我觉得这个词在Java规范中从未被解释清楚的神奇关键词，在Sun的JDK官方文档是这样形容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.

意思就是说，如果一个变量加了volatile关键字，就会告诉编译器和JVM的内存模型：这个变量是对所有线程共享的、可见的，每次jvm都会读取最新写入的值并使其最新值在所有CPU可见。volatile似乎是有时候可以代替简单的锁，似乎加了volatile关键字就省掉了锁。但又说volatile不能保证原子性（java程序员很熟悉这句话：volatile仅仅用来保证该变量对所有线程的可见性，但不保证原子性）。这不是互相矛盾吗？

不要将volatile用在getAndOperate场合，仅仅set或者get的场景是适合volatile的

不要将volatile用在getAndOperate场合（这种场合不原子，需要再加锁），仅仅set或者get的场景是适合volatile的。

volatile没有原子性举例：AtomicInteger自增

例如你让一个volatile的integer自增（i++），其实要分成3步：1）读取volatile变量值到local； 2）增加变量的值；3）把local的值写回，让其它的线程可见。这3步的jvm指令为：

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

注意最后一步是内存屏障。

什么是内存屏障（Memory Barrier）？

内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。基本上，它是这样一条指令： a) 确保一些特定操作执行的顺序； b) 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

内存屏障（memory barrier）和volatile什么关系？上面的虚拟机指令里面有提到，如果你的字段是volatile，Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作，你必须知道：1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

volatile为什么没有原子性?

明白了内存屏障（memory barrier）这个CPU指令，回到前面的JVM指令：从Load到store到内存屏障，一共4步，其中最后一步jvm让这个最新的变量的值在所有线程可见，也就是最后一步让所有的CPU内核都获得了最新的值，但中间的几步（从Load到Store）是不安全的，中间如果其他的CPU修改了值将会丢失。下面的测试代码可以实际测试voaltile的自增没有原子性：

+ View Code

volatile没有原子性举例：singleton单例模式实现

这是一段线程不安全的singleton（单例模式）实现，尽管使用了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;     } }

下面的测试代码可以测试出是线程不安全的：

+ View Code

原因自然和上面的例子是一样的。因为volatile保证变量对线程的可见性，但不保证原子性。

附：正确线程安全的单例模式写法：

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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;     } }

另外一种写法：

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

延迟初始化的写法：

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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 ;     } }

二次检查锁定/Double Checked Locking的写法（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) { //二次检查，比直接用独占锁效率高                synchronized (SingletonDemo .class){                     if (instance == null) {                                instance = new SingletonDemo ();                     }              }         }         return instance;     } }

为什么AtomicXXX具有原子性和可见性？

就拿AtomicLong来说，它既解决了上述的volatile的原子性没有保证的问题，又具有可见性。它是如何做到的？当然就是上文《非阻塞同步算法与CAS(Compare and Swap)无锁算法》提到的CAS（比较并交换）指令。 其实AtomicLong的源码里也用到了volatile，但只是用来读取或写入，见源码：

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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源码核心代码为：

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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; }

虚拟机指令为：

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

因为CAS是基于乐观锁的，也就是说当写入的时候，如果寄存器旧值已经不等于现值，说明有其他CPU在修改，那就继续尝试。所以这就保证了操作的原子性。

 

 

参考链接：http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3556430.html