Java - 面试官最爱的 volatile 关键字

左手的ㄟ右手 2022-09-08 11:59 205阅读 0赞

> 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

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_Q1NETiBA56iL5bqP5ZGY54mn56CB_size_25_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

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

![重排序][format_png]

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：

1.  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)
2.  volatile规则：2 happens-before 3
3.  传递性规则：1 happens-before 4

从内存语义上来看

**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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