Java 并发⾯试问题之 volatile 到底是什么？

我就是我 2022-11-18 04:48 151阅读 0赞

## 场景引入，问题初现 ##

很多同学出去⾯试，都会被问到⼀个常⻅的问题：说说你对 volatile 的理解？  
不少初出茅庐的同学可能会有点措⼿不及，因为可能就是之前没关注过这个。但是⽹上百度⼀下呢，不少⽂章写的很好，但是理论扎的太深，⽂字太多，图太少，让⼈有点难以理解。  
基于上述痛点，这篇⽂章尝试站在年轻同学的⻆度，⽤最简单的⼤⽩话，加上多张图给⼤家说⼀下，volatile 到底是什么？  
当然本⽂不会把理论扎的太深，因为⼀下⼦扎深了⽂字太多，很多同学还是会不好理解。  
本⽂仅仅是定位在⽤⼤⽩话的语⾔将 volatile 这个东⻄解释清楚，⽽涉及到特别底层的⼀些原理和技术问题，以后有机会开⽂再写。

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如上图，这张图说的是 java 内存模型中，每个线程有⾃⼰的⼯作内存，同时还有⼀个共享的主内存。

举个例⼦，⽐如说有两个线程，他们的代码⾥都需要读取 data 这个变量的值，那么他们都会从主内存⾥加载 data 变量的值到⾃⼰的⼯作内存，然后才可以使⽤那个值。  
好了，现在⼤家从图⾥看到，每个线程都把 data 这个变量的副本加载到了⾃⼰的⼯作内存⾥了，所以每个线程都可以读到 data = 0 这个值。  
这样，在线程代码运⾏的过程中，对 data 的值都可以直接从⼯作内存⾥加载了，不需要再从主内存⾥加载了。  
那问题来了，为啥⼀定要让每个线程⽤⼀个⼯作内存来存放变量的副本以供读取呢？我直接让线程每次都从主内存加载变量的值不⾏吗？  
很简单！因为线程运⾏的代码对应的是⼀些指令，是由 CPU 执⾏的！但是 CPU 每次执⾏指令运算的时候，也就是执⾏我们写的那⼀⼤坨代码的时候，要是每次需要⼀个变量的值，都从主  
内存加载，性能会⽐较差！  
所以说后来想了⼀个办法，就是线程有⼯作内存的概念，类似于⼀个⾼速的本地缓存。  
这样⼀来，线程的代码在执⾏过程中，就可以直接从⾃⼰本地缓存⾥加载变量副本，不需要从主内存加载变量值，性能可以提升很多！  
但是⼤家思考⼀下，这样会有什么问题？  
我们来设想⼀下，假如说线程 1 修改了 data 变量的值为 1，然后将这个修改写⼊⾃⼰的本地⼯作内存。那么此时，线程 1 的⼯作内存⾥的 data 值为 1。

然⽽，主内存⾥的 data 值还是为 0！线程 2 的⼯作内存⾥的 data 值还是 0 啊

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这可尴尬了，那接下来，在线程 1 的代码运⾏过程中，他可以直接读到 data 最新的值是 1，但是线程 2 的代码运⾏过程中读到的 data 的值还是 0！  
这就导致，线程 1 和线程 2 其实都是在操作⼀个变量 data，但是线程 1 修改了 data 变量的值之后，线程 2 是看不到的，⼀直都是看到⾃⼰本地⼯作内存中的⼀个旧的副本的值！  
这就是所谓的 java 并发编程中的可⻅性问题：  
多个线程并发读写⼀个共享变量的时候，有可能某个线程修改了变量的值，但是其他线程看不到！也就是对其他线程不可⻅！

## volatile 的作⽤及背后的原理 ##

那如果要解决这个问题怎么办呢？这时就轮到 volatile 闪亮登场了！你只要给 data 这个变量在定义的时候加⼀个 volatile，就直接可以完美的解决这个可⻅性的问题。  
⽐如下⾯的这样的代码，在加了 volatile 之后，会有啥作⽤呢？

我们这⾥，就说说他最关键的⼏个作⽤是啥？  
第⼀，⼀旦 data 变量定义的时候前⾯加了 volatile 来修饰的话，那么线程 1 只要修改 data 变量的值，就会在修改完⾃⼰本地⼯作内存的 data 变量值之后，强制将这个 data 变量最新的值刷回主内存，必须让主内存⾥的 data 变量值⽴⻢变成最新的值

第⼆，如果此时别的线程的⼯作内存中有这个 data 变量的本地缓存，也就是⼀个变量副本的话，那么会强制让其他线程的⼯作内存中的 data 变量缓存直接失效过期，不允许再次读取和使⽤了！

第三，如果线程 2 在代码运⾏过程中再次需要读取 data 变量的值，此时尝试从本地⼯作内存中读取，就会发现这个 data = 0 已经过期了！

bingo！好了，volatile 完美解决了 java 并发中可⻅性的问题！

## 总结 & 提醒 ##

最后给⼤家提⼀嘴，volatile 主要作⽤是保证可⻅性以及有序性。  
有序性涉及到较为复杂的指令重排、内存屏障等概念，本⽂没提及，但是 volatile 是不能保证原⼦性的！  
也就是说，volatile 主要解决的是⼀个线程修改变量值之后，其他线程⽴⻢可以读到最新的值，是解决这个问题的，也就是可⻅性！

但是如果是多个线程同时修改⼀个变量的值，那还是可能出现多线程并发的安全问题，导致数据值修改错乱，volatile 是不负责解决这个问题的，也就是不负责解决原⼦性问题！

原⼦性问题，得依赖 synchronized、ReentrantLock 等加锁机制来解决。

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