Java - 面试官最爱的 volatile 关键字

Posted 2021-09-11 程序员牧码

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：

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。