對volatile不具備原子性的理解

在閱讀多線程書籍的時候，對volatile的原子性產生了疑問，問題相似於這篇文章所闡述的那樣。通過一番思考給出本身的理解。
咱們知道對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性、有序性。但不保證原子性。
普通的共享變量不能保證可見性，由於普通共享變量被修改以後，何時被寫入主存是不肯定的，當其餘線程去讀取時，此時內存中可能仍是原來的舊值，所以沒法保證可見性。

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  背景：爲了提升處理速度，處理器不直接和內存進行通訊，而是先將系統內存的數據讀到內部緩存（L1，L2或其餘）後再進行操做，但操做完不知道什麼時候會寫到內存。

• 若是對聲明瞭volatile的變量進行寫操做，JVM就會向處理器發送一條指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。可是，就算寫回到內存，若是其餘處理器緩存的值仍是舊的，再執行計算操做就會有問題。
• 在多處理器下，爲了保證各個處理器的緩存是一致的，就會實現緩存一致性協議，每一個處理器經過嗅探在總線上傳播的數據來檢查本身緩存的值是否是過時了，當處理器發現本身緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器對這個數據進行修改操做的時候，會從新從系統內存中把數據讀處處理器緩存裏。

總結下來：

• 第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值當即寫入主存；
• 第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會致使線程1的工做內存中緩存變量的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
• 第三：因爲線程1的工做內存中緩存變量的緩存行無效，因此線程1再次讀取變量的值時會去主存讀取。

最重要的是：

• 可見性：對一個volatile變量的讀，老是能看到（任意線程）對這個volatile變量最後的寫入。
• 原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具備原子性，但相似於volatile++這種複合操做不具備原子性。

舉2個例子，例子來源於這篇文章:

例子是這樣的：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//線程2
stop = true;

原文：這段代碼是很典型的一段代碼，不少人在中斷線程時可能都會採用這種標記辦法。可是事實上，這段代碼會徹底運行正確麼？即必定會將線程中斷麼？不必定，也許在大多數時候，這個代碼可以把線程中斷，可是也有可能會致使沒法中斷線程（雖然這個可能性很小，可是隻要一旦發生這種狀況就會形成死循環了）。
　　下面解釋一下這段代碼爲什麼有可能致使沒法中斷線程。在前面已經解釋過，每一個線程在運行過程當中都有本身的工做內存，那麼線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在本身的工做內存當中。
　　那麼當線程2更改了stop變量的值以後，可是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去作其餘事情了，那麼線程1因爲不知道線程2對stop變量的更改，所以還會一直循環下去。
　　可是用volatile修飾以後就變得不同了：
　　第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值當即寫入主存；
　　第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會致使線程1的工做內存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；
　　第三：因爲線程1的工做內存中緩存變量stop的緩存行無效，因此線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
到這裏可能看起來沒什麼問題,咱們來看例子2：

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }    
        while(Thread.activeCount()>1)  //保證前面的線程都執行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

原文：你們想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認爲是10000。可是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。
　　可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操做，因爲volatile保證了可見性，那麼在每一個線程中對inc自增完以後，在其餘線程中都能看到修改後的值啊，因此有10個線程分別進行了1000次操做，那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。
　　這裏面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，可是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，可是volatile沒辦法保證對變量的操做的原子性。
　　在前面已經提到過，自增操做是不具有原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操做、寫入工做內存。那麼就是說自增操做的三個子操做可能會分割開執行，就有可能致使下面這種狀況出現：
　　假如某個時刻變量inc的值爲10，
　　線程1對變量進行自增操做，線程1先讀取了變量inc的原始值，而後線程1被阻塞了；
　　而後線程2對變量進行自增操做，線程2也去讀取變量inc的原始值，因爲線程1只是對變量inc進行讀取操做，而沒有對變量進行修改操做，因此不會致使線程2的工做內存中緩存變量inc的緩存行無效，因此線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，而後進行加1操做，並把11寫入工做內存，最後寫入主存。
　　而後線程1接着進行加1操做，因爲已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工做內存中inc的值仍然爲10，因此線程1對inc進行加1操做後inc的值爲11，而後將11寫入工做內存，最後寫入主存。
　　那麼兩個線程分別進行了一次自增操做後，inc只增長了1。
　　解釋到這裏，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎？而後其餘線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，可是要注意，線程1對變量進行讀取操做以後，被阻塞了的話，並無對inc值進行修改。而後雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，可是線程1沒有進行修改，因此線程2根本就不會看到修改的值。

你們是否是有這樣的疑問：「線程1在讀取inc爲10後被阻塞了，沒有進行修改因此不會去通知其餘線程，此時線程2拿到的仍是10，這點能夠理解。可是後來線程2修改了inc變成11後寫回主內存，這下是修改了，線程1再次運行時，難道不會去主存中獲取最新的值嗎？按照volatile的定義，若是volatile修飾的變量發生了變化，其餘線程應該去主存中拿變化後的值纔對啊？」
  是否是還有：例子1中線程1先將stop=flase讀取到了工做內存中，而後去執行循環操做，線程2將stop=true寫入到主存後，爲何線程1的工做內存中stop=false會變成無效的？

其實嚴格的說，對任意單個volatile變量的讀/寫具備原子性，但相似於volatile++這種複合操做不具備原子性。在《Java併發編程的藝術》中有這一段描述：「在多處理器下，爲了保證各個處理器的緩存是一致的，就會實現緩存一致性協議，每一個處理器經過嗅探在總線上傳播的數據來檢查本身緩存的值是否是過時了，當處理器發現本身緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器對這個數據進行修改操做的時候，會從新從系統內存中把數據讀處處理器緩存裏。」咱們須要注意的是，這裏的修改操做，是指的一個操做。

• 例子1中，由於是while語句，線程會不斷讀取stop的值來判斷是否爲false，每一次判斷都是一個操做。這裏是從緩存中讀取。單個讀取操做是具備原子性的，因此當例子1中的線程2修改了stop時，因爲volatile變量的可見性，線程1再讀取stop時是最新的值，爲true。
• 而例子2中，爲何自增操做會出現那樣的結果呢？能夠知道自增操做是三個原子操做組合而成的複合操做。在一個操做中，讀取了inc變量後，是不會再讀取的inc的，因此它的值仍是以前讀的10，它的下一步是自增操做。