在Java相关的岗位面试中,很多面试官都喜欢考察面试者对Java并发的了解程度,而以volatile关键字作为一个小的切入点,往往可以一问到底,把Java内存模型(JMM),Java并发编程的一些特性都牵扯出来,深入地话还可以考察JVM底层实现以及操作系统的相关知识。 下面我们以一次假想的面试过程,来深入了解下volitile关键字吧!

面试官: Java并发这块了解的怎么样?说说你对volatile关键字的理解

就我理解的而言,被volatile修饰的共享变量,就具有了以下两点特性:

  • 1.保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;
  • 2.禁止指令重排序

面试官: 能不能详细说下什么是内存可见性,什么又是重排序呢?

这个聊起来可就多了,我还是从Java内存模型说起吧。 Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型(JMM),来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,让Java程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。简单来说,由于CPU执行指令的速度是很快的,但是内存访问的速度就慢了很多,相差的不是一个数量级,所以搞处理器的那群大佬们又在CPU里加了好几层高速缓存。 在Java内存模型里,对上述的优化又进行了一波抽象。JMM规定所有变量都是存在主存中的,类似于上面提到的普通内存,每个线程又包含自己的工作内存,方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速缓存。所以线程的操作都是以工作内存为主,它们只能访问自己的工作内存,且工作前后都要把值在同步回主内存。 这么说得我自己都有些不清楚了,拿张纸画一下: 

在线程执行时,首先会从主存中read变量值,再load到工作内存中的副本中,然后再传给处理器执行,执行完毕后再给工作内存中的副本赋值,随后工作内存再把值传回给主存,主存中的值才更新。 使用工作内存和主存,虽然加快的速度,但是也带来了一些问题。比如看下面一个例子:

i = i + 1;

假设i初值为0,当只有一个线程执行它时,结果肯定得到1,当两个线程执行时,会得到结果2吗?这倒不一定了。可能存在这种情况:

线程1: load i from 主存    // i = 0
        i + 1  // i = 1
线程2: load i from主存  // 因为线程1还没将i的值写回主存,所以i还是0
        i +  1 //i = 1
线程1:  save i to 主存
线程2: save i to 主存

如果两个线程按照上面的执行流程,那么i最后的值居然是1了。如果最后的写回生效的慢,你再读取i的值,都可能是0,这就是缓存不一致问题。 下面就要提到你刚才问到的问题了,JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的,通过解决这三个问题,可以解除缓存不一致的问题。而volatile跟可见性和有序性都有关。

面试官:那你具体说说这三个特性呢?

1.原子性(Atomicity): Java中,对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作,所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的,要做一定做完,要么就没有执行。 比如:

i = 2;
j = i;
i++;
i = i + 1;

上面4个操作中,i=2是读取操作,必定是原子性操作,j=i你以为是原子性操作,其实吧,分为两步,一是读取i的值,然后再赋值给j,这就是2步操作了,称不上原子操作,i++和i = i + 1其实是等效的,读取i的值,加1,再写回主存,那就是3步操作了。所以上面的举例中,最后的值可能出现多种情况,就是因为满足不了原子性。 这么说来,只有简单的读取,赋值是原子操作,还只能是用数字赋值,用变量的话还多了一步读取变量值的操作。有个例外是,虚拟机规范中允许对64位数据类型(long和double),分为2次32为的操作来处理,但是最新JDK实现还是实现了原子操作的。 JMM只实现了基本的原子性,像上面i++那样的操作,必须借助于synchronized和Lock来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前,必然会把i的值刷回到主存的。 2. 可见性(Visibility): 说到可见性,Java就是利用volatile来提供可见性的。 当一个变量被volatile修饰时,那么对它的修改会立刻刷新到主存,当其它线程需要读取该变量时,会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。 其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性,线程在释放锁之前,会把共享变量值都刷回主存,但是synchronized和Lock的开销都更大。 3. 有序性(Ordering) JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的,但是规定了as-if-serial语义,即不管怎么重排序,程序的执行结果不能改变。比如下面的程序段:

double pi = 3.14;    //A
double r = 1;        //B
double s= pi * r * r;//C

上面的语句,可以按照A->B->C执行,结果为3.14,但是也可以按照B->A->C的顺序执行,因为A、B是两句独立的语句,而C则依赖于A、B,所以A、B可以重排序,但是C却不能排到A、B的前面。JMM保证了重排序不会影响到单线程的执行,但是在多线程中却容易出问题。 比如这样的代码:

int a = 0;
bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

假如有两个线程执行上述代码段,线程1先执行write,随后线程2再执行multiply,最后ret的值一定是4吗?结果不一定:

如图所示,write方法里的1和2做了重排序,线程1先对flag赋值为true,随后执行到线程2,ret直接计算出结果,再到线程1,这时候a才赋值为2,很明显迟了一步。 这时候可以为flag加上volatile关键字,禁止重排序,可以确保程序的有序性,也可以上重量级的synchronized和Lock来保证有序性,它们能保证那一块区域里的代码都是一次性执行完毕的。 另外,JMM具备一些先天的有序性,即不需要通过任何手段就可以保证的有序性,通常称为happens-before原则。<<JSR-133:Java Memory Model and Thread Specification>>定义了如下happens-before规则1.程序顺序规则: 一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中的任意后续操作 2.监视器锁规则:对一个线程的解锁,happens-before于随后对这个线程的加锁 3.volatile变量规则: 对一个volatile域的写,happens-before于后续对这个volatile域的读 4.传递性:如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C 5.start()规则: 如果线程A执行操作ThreadB_start()(启动线程B) , 那么A线程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作 6.join()原则: 如果A执行ThreadB.join()并且成功返回,那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。 7.interrupt()原则: 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生 8.finalize()原则:一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始 第1条规则程序顺序规则是说在一个线程里,所有的操作都是按顺序的,但是在JMM里其实只要执行结果一样,是允许重排序的,这边的happens-before强调的重点也是单线程执行结果的正确性,但是无法保证多线程也是如此。 第2条规则监视器规则其实也好理解,就是在加锁之前,确定这个锁之前已经被释放了,才能继续加锁。 第3条规则,就适用到所讨论的volatile,如果一个线程先去写一个变量,另外一个线程再去读,那么写入操作一定在读操作之前。 第4条规则,就是happens-before的传递性。 后面几条就不再一一赘述了。

面试官:volatile关键字如何满足并发编程的三大特性的?

那就要重提volatile变量规则: 对一个volatile域的写,happens-before于后续对这个volatile域的读。 这条再拎出来说,其实就是如果一个变量声明成是volatile的,那么当我读变量时,总是能读到它的最新值,这里最新值是指不管其它哪个线程对该变量做了写操作,都会立刻被更新到主存里,我也能从主存里读到这个刚写入的值。也就是说volatile关键字可以保证可见性以及有序性。 继续拿上面的一段代码举例:

int a = 0;
bool flag = false;

public void write() {
   a = 2;              //1
   flag = true;        //2
}

public void multiply() {
   if (flag) {         //3
       int ret = a * a;//4
   }
}

这段代码不仅仅受到重排序的困扰,即使1、2没有重排序。3也不会那么顺利的执行的。假设还是线程1先执行write操作,线程2再执行multiply操作,由于线程1是在工作内存里把flag赋值为1,不一定立刻写回主存,所以线程2执行时,multiply再从主存读flag值,仍然可能为false,那么括号里的语句将不会执行。 如果改成下面这样:

int a = 0;
volatile bool flag = false;

public void write() {
   a = 2;              //1
   flag = true;        //2
}

public void multiply() {
   if (flag) {         //3
       int ret = a * a;//4
   }
}

那么线程1先执行write,线程2再执行multiply。根据happens-before原则,这个过程会满足以下3类规则: 程序顺序规则:1 happens-before 2; 3 happens-before 4; (volatile限制了指令重排序,所以1 在2 之前执行) volatile规则:2 happens-before 3 传递性规则:1 happens-before 4 当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存 当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效,线程接下来将从主内存中读取共享变量。

面试官:volatile的两点内存语义能保证可见性和有序性,但是能保证原子性吗?

首先我回答是不能保证原子性,要是说能保证,也只是对单个volatile变量的读/写具有原子性,但是对于类似volatile++这样的复合操作就无能为力了,比如下面的例子:

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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }

按道理来说结果是10000,但是运行下很可能是个小于10000的值。有人可能会说volatile不是保证了可见性啊,一个线程对inc的修改,另外一个线程应该立刻看到啊!可是这里的操作inc++是个复合操作啊,包括读取inc的值,对其自增,然后再写回主存。 假设线程A,读取了inc的值为10,这时候被阻塞了,因为没有对变量进行修改,触发不了volatile规则。 线程B此时也读读inc的值,主存里inc的值依旧为10,做自增,然后立刻就被写回主存了,为11。 此时又轮到线程A执行,由于工作内存里保存的是10,所以继续做自增,再写回主存,11又被写了一遍。所以虽然两个线程执行了两次increase(),结果却只加了一次。 有人说,volatile不是会使缓存行无效的吗?但是这里线程A读取到线程B也进行操作之前,并没有修改inc值,所以线程B读取的时候,还是读的10。 又有人说,线程B将11写回主存,不会把线程A的缓存行设为无效吗?但是线程A的读取操作已经做过了啊,只有在做读取操作时,发现自己缓存行无效,才会去读主存的值,所以这里线程A只能继续做自增了。 综上所述,在这种复合操作的情景下,原子性的功能是维持不了了。但是volatile在上面那种设置flag值的例子里,由于对flag的读/写操作都是单步的,所以还是能保证原子性的。 要想保证原子性,只能借助于synchronized,Lock以及并发包下的atomic的原子操作类了,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。

面试官:说的还可以,那你知道volatile底层的实现机制?

如果把加入volatile关键字的代码和未加入volatile关键字的代码都生成汇编代码,会发现加入volatile关键字的代码会多出一个lock前缀指令。 lock前缀指令实际相当于一个内存屏障,内存屏障提供了以下功能: 1.重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置 2.使得本CPU的Cache写入内存 ** **3.写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化其Cache,相当于让新写入的值对别的线程可见。

面试官: 你在哪里会使用到volatile,举两个例子呢?

1.状态量标记,就如上面对flag的标记,我重新提一下:

int a = 0;
volatile bool flag = false;

public void write() {
    a = 2;              //1
    flag = true;        //2
}

public void multiply() {
    if (flag) {         //3
        int ret = a * a;//4
    }
}

这种对变量的读写操作,标记为volatile可以保证修改对线程立刻可见。比synchronized,Lock有一定的效率提升。 2.单例模式的实现,典型的双重检查锁定(DCL)

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

这是一种懒汉的单例模式,使用时才创建对象,而且为了避免初始化操作的指令重排序,给instance加上了volatile。

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