面試官最愛的volatile關(guān)鍵字

1、在Java相關(guān)的崗位面試中，很多面試官都喜歡考察面試者對Java并發(fā)的了解 程度，而以volatile關(guān)鍵字作為一個小的切入點，往往可以一問到底，把Java 內(nèi)存模型(JMM ) , Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來，深入地話還可以 考察JVM底層實現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識。下面我們以一次假想的面試過 程，來深入了解下volitile關(guān)鍵字吧！面試官:Java并發(fā)這塊了解的怎么樣？說說你對volatile關(guān)鍵字的理 解就我理解的而言，被volatile修飾的共享變量,就具有了以下兩點特性：1.保證了不同線程對該變量操作的內(nèi)存可見性;2.禁止指令重排序面試官：能不能詳細(xì)說下什么是內(nèi)存可見性，

2、什么又是重排序呢?這個聊起來可就多了，我還是從Java內(nèi)存模型說起吧。Java虛擬機規(guī)范試圖 定義一種Java內(nèi)存模型(JMM)，來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差 異，讓Java程序在各種平臺上都能到達(dá)一致的內(nèi)存訪問效果。簡單來說，由于 CPU執(zhí)行指令的速度是很快的，但是內(nèi)存訪問的速度就慢了很多，相差的不是 一個數(shù)量級，所以搞處理器的那群大佬們又在CPU里加了好幾層高速緩存。在Java內(nèi)存模型里，對上述的優(yōu)化又進行了一波抽象。JMM規(guī)定所有變量都 是存在主存中的，類似于上面提到的普通內(nèi)存，每個線程又包含自己的工作內(nèi) 存，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速緩存。所以線程的操作都是n

3、ew Thread () public void run() for (int j=0;j1) 保證前面的線程都執(zhí)行完Thread. yieldO ;System. out. println(test. inc);按道理來說結(jié)果是10000，但是運行下很可能是個小于10000的值。有人可 能會說volatile不是保證了可見性啊，一個線程對inc的修改，另外一個線程 應(yīng)該立刻看到??！可是這里的操作inc+是個復(fù)合操作啊，包括讀取inc的 值，對其自增，然后再寫回主存。假設(shè)線程A ,讀取了 inc的值為10 ,這時候被阻塞了，因為沒有對變量進行修 改，觸發(fā)不了 volatile規(guī)那么。線程B此時

4、也讀讀inc的值，主存里inc的值依舊為10，做自增，然后立刻就 被寫回主存了，為1L此時又輪到線程A執(zhí)行，由于工作內(nèi)存里保存的是10 ,所以繼續(xù)做自增，再 寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個線程執(zhí)行了兩次increase。，結(jié)果 卻只加了一次。 有人說，volatile不是會使緩存行無效的嗎？但是這里線程A讀取到線程B也 進行操作之前，并沒有修改inc值，所以線程B讀取的時候，還是讀的10。又有人說，線程B將11寫回主存,不會把線程A的緩存行設(shè)為無效嗎？但是 線程A的讀取操作已經(jīng)做過了啊，只有在做讀取操作時，發(fā)現(xiàn)自己緩存行無 效，才會去讀主存的值，所以這里線程A只能繼續(xù)做自增了。綜上所

5、述，在這種復(fù)合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了。但是 volatile在上面那種設(shè)置flag值的例子里，由于對flag的讀/寫操作都是單步 的，所以還是能保證原子性的。要想保證原子性，只能借助于synchronized,Lock以及并發(fā)包下的atomic的 原子操作類了，即對基本數(shù)據(jù)類型的自增（加1操作），自減（減1操 作）、以及加法操作（加一個數(shù)），減法操作（減一個數(shù)）進行了封裝，保證 這些操作是原子性操作。面試官：說的還可以，那你知道volatile底層的實現(xiàn)機制?如果把加入volatile關(guān)鍵字的代碼和未加入volatile關(guān)鍵字的代碼都生成匯編代碼，會發(fā)現(xiàn)加入volatile關(guān)鍵

6、字的代碼會多出一個lock前綴指令。lock前綴指令實際相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障提供了以下功能：L重排序時不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置2.使得本CPU的Cache寫入內(nèi)存* *3.寫入動作也會引起別的CPU或者別的內(nèi)核無效化其Cache ,相當(dāng)于讓新寫入的值對別的線程可見。面試官：你在哪里會使用到volatile ,舉兩個例子呢?L狀態(tài)量標(biāo)記，就如上面對flag的標(biāo)記，我重新提一下:int a = 0;volatile bool flag = false;public void write() TOC o 1-5 h z a = 2;/Iflag = true;/2publi

7、c void multiply() if (flag) /3int ret = a * a;/4)這種對變量的讀寫操作，標(biāo)記為volatile可以保證修改對線程立刻可見。比 synchronized,Lock有一定的效率提升。2.單例模式的實現(xiàn)，典型的雙重檢直鎖定（DCL ）class Singleton private volatile static Singleton instance = null;private Singleton () public static Singleton getlnstance() if(instance=null) synchronized (Singl

8、eton, class) if(instance二二null)instance = new Singleton();return instance;這是一種懶漢的單例模式，使用時才創(chuàng)立對象，而且為了防止初始化操作的指令重排序，給instance加上了 volatile。以工作內(nèi)存為主，它們只能訪問自己的工作內(nèi)存，且工作前后都要把值在同步回主內(nèi)存。這么說得我自己都有些不清楚了，拿張紙畫一下：在線程執(zhí)行時，首先會從主存中read變量值，再load到工作內(nèi)存中的副本中，然后再傳給處理器執(zhí)行，執(zhí)行完畢后再給工作內(nèi)存中的副本賦值，隨后工 作內(nèi)存再把值傳回給主存，主存中的值才更新。使用工作內(nèi)存和主存，雖然

9、加快的速度，但是也帶來了一些問題。比方看下面 一個例子：i = i + 1;假設(shè)i初值為0 ,當(dāng)只有一個線程執(zhí)行它時，結(jié)果肯定得到1 ,當(dāng)兩個線程執(zhí)行 時，會得到結(jié)果2嗎？這倒不一定了。可能存在這種情況：線程 1： load i from 主存 i = 0i + 1 / i = 1線程2： load i from主存/因為線程1還沒將i的值寫回主存，所以i還是0i + 1 /i = 1線程1: save i to主存線程2： save i to主存如果兩個線程按照上面的執(zhí)行流程，那么i最后的值居然是1 了。如果最后的寫回生效的慢，你再讀取i的值，都可能是0 ,這就是緩存不一致問題。下面就要提到

10、你剛才問到的問題了，JMM主要就是圍繞著如何在并發(fā)過程中如 何處理原子性、可見性和有序性這3個特征來建立的，通過解決這三個問題， 可以解除緩存不一致的問題。而volatile跟可見性和有序性都有關(guān)。面試官：那你具體說說這三個特性呢？.原子性(Atomicity):Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的讀取和賦值操作是原子性操作，所謂原子性操作就 是指這些操作是不可中斷的，要做一定做完，要么就沒有執(zhí)行。比方：i = 2; j = i； i+； i = i + 1;上面4個操作中，i=2是讀取操作，必定是原子性操作J = i你以為是原子性操 作，其實吧，分為兩步，一是讀取i的值，然后再賦值給j,這就是2步操

11、作 了，稱不上原子操作，i+和i=i + 1其實是等效的，讀取i的值，加1 ,再 寫回主存，那就是3步操作了。所以上面的舉例中，最后的值可能出現(xiàn)多種情 況，就是因為滿足不了原子性。這么說來，只有簡單的讀取，賦值是原子操作，還只能是用數(shù)字賦值，用變量 的話還多了一步讀取變量值的操作。有個例外是，虛擬機規(guī)范中允許對64位 數(shù)據(jù)類型(long和double),分為2次32為的操作來處理，但是最新JDK實 現(xiàn)還是實現(xiàn)了原子操作的。JMM只實現(xiàn)了基本的原子性，像上面i + +那樣的操作，必須借助于 synchronized和Lock來保證整塊代碼的原子性了。線程在釋放鎖之前，必然 會把i的值刷回到主存的

12、。.可見性(Visibility):說到可見性，Java就是利用volatile來提供可見性的。當(dāng)一個變量被volatile 修飾時，那么對它的修改會立刻刷新到主存，當(dāng)其它線程需要讀取該變量時， 會去內(nèi)存中讀取新值。而普通變量那么不能保證這一點。其實通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，線程在釋放鎖之前，會把 共享變量值都刷回主存,但是synchronized和Lock的開銷都更大。.有序性(Ordering )JMM是允許編譯器和處理器對指令重排序的，但是規(guī)定了 as-if-serial語義， 即不管怎么重排序，程序的執(zhí)行結(jié)果不能改變。比方下面的程序段：double pi

13、= 3.14;/Adouble r = 1;/Bdouble s= pi * r * r;/C上面的語句，可以按照A-B-C執(zhí)行，結(jié)果為3.14,但是也可以按照 B-A-C的順序執(zhí)行，因為A、B是兩句獨立的語句，而C那么依賴于A、B , 所以A、B可以重排序，但是C卻不能排到A、B的前面。JMM保證了重排序 不會影響到單線程的執(zhí)行，但是在多線程中卻容易出問題。比方這樣的代碼:int a = 0;bool flag = false;publie void write() TOC o 1-5 h z a = 2;/Iflag = true;/2)public void multiply()if (

14、flag) /3int ret = a * a;4假如有兩個線程執(zhí)行上述代碼段，線程1先執(zhí)行write，隨后線程2再執(zhí)行multiply ,最后ret的值一定是4嗎？結(jié)果不一定：如下圖,write方法里的1和2做了重排序，線程1先對flag賦值為true , 隨后執(zhí)行到線程2 , ret直接計算出結(jié)果，再到線程1 ,這時候a才賦值為2彳艮 明顯遲了一步。這時候可以為flag加上volatile關(guān)鍵字，禁止重排序，可以確保程序的有序 性，也可以上重量級的synchronized和Lock來保證有序性，它們能保證那一 塊區(qū)域里的代碼都是一次性執(zhí)行完畢的。另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通

15、過任何手段就可以保證的有序 性，通常稱為 happens-before 原那么。定義了如下 happens-before 規(guī)那么：1.程序順序規(guī)那么：一個線程中的每個操作，happens-before于該線程中的任 意后續(xù)操作2.監(jiān)視器鎖規(guī)那么：對一個線程的解鎖,happens-before于隨后對 這個線程的加鎖3.volatile變量規(guī)那么：對一個volatile域的寫，h叩pens- before于后續(xù)對這個volatile域的讀4.傳遞性：如果A happens-before B , 且 B happens-before C,那么 A happens-before C 5.start(

16、)，JjHW：如果線 程A執(zhí)行操作ThreadB_start()(啟動線程B),那么A線程的 ThreadB_start()happens-before 于 B 中的任意操作 6.join()原那么：如果 A 執(zhí)行ThreadB.join。并且成功返回，那么線程B中的任意操作happens- before于線程A從ThreadB.join。操作成功返回。7.interrupt()原那么：對線 程interruptO方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程代碼檢測到中斷事件的發(fā)生， 可以通過Terrupted()方法檢測是否有中斷發(fā)生8.finalize()原那么：- 個對象的初始化完成

17、先行發(fā)生于它的finalize。方法的開始第1條規(guī)那么程序順序規(guī)那么是說在一個線程里，所有的操作都是按順序的，但是 在JMM里其實只要執(zhí)行結(jié)果一樣，是允許重排序的，這邊的happens- before 強調(diào)的重點也是單線程執(zhí)行結(jié)果的正確性，但是無法保證多線程也是如 此。第2條規(guī)那么監(jiān)視器規(guī)那么其實也好理解，就是在加鎖之前，確定這個鎖之前已經(jīng) 被釋放了，才能繼續(xù)加鎖。第3條規(guī)那么，就適用到所討論的volatile ,如果一個線程先去寫一個變量，另 外一個線程再去讀，那么寫入操作一定在讀操作之前。第4條規(guī)那么，就是happens-before的傳遞性。后面幾條就不再一 一贅述了。面試官：volat

18、ile關(guān)鍵字如何滿足并發(fā)編程的三大特性的？那就要重提volatile變量規(guī)那么：對一個volatile域的寫,happens-before T 后續(xù)對這個volatile域的讀。這條再拎出來說，其實就是如果一個變量聲明成 是volatile的，那么當(dāng)我讀變量時，總是能讀到它的最新值，這里最新值是指 不管其它哪個線程對該變量做了寫操作，都會立刻被更新到主存里，我也能從 主存里讀到這個剛寫入的值。也就是說volatile關(guān)鍵字可以保證可見性以及有 序性。繼續(xù)拿上面的一段代碼舉例：int a = 0;bool flag = false;public void write() TOC o 1-5 h

19、z a = 2;/Iflag = true;/2)public void multiply() if (flag) /3int ret = a * a;/4這段代碼不僅僅受到重排序的困擾，即使L 2沒有重排序。3也不會那么順利 的執(zhí)行的。假設(shè)還是線程1先執(zhí)行write操作，線程2再執(zhí)行multiply操作， 由于線程1是在工作內(nèi)存里把flag賦值為1 ,不一定立刻寫回主存，所以線程 2執(zhí)行時，multiply再從主存讀flag值，仍然可能為false ,那么括號里的語 句將不會執(zhí)行。如果改成下面這樣:int a = 0;volatile bool flag = false;public void write() TOC o 1-5 h z a = 2;/Iflag 二 true;/2)