Java面試官最喜歡問的關(guān)鍵字之volatile詳解

前言

筆者去年面試過幾家公司，基本上每家公司都會(huì)問到volatile，甚至有的公司每輪面試的時(shí)候都會(huì)問到。面試官這么喜歡問volatile就是因?yàn)檫@個(gè)關(guān)鍵字涉及到的知識(shí)點(diǎn)較多比如Java內(nèi)存模型、內(nèi)存屏障、happen-befor等知識(shí)，可以繼續(xù)挖掘到系統(tǒng)指令、超線程等知識(shí)。

Java內(nèi)存模型（JMM）

volatile是Java虛擬機(jī)提供的最輕量的同步機(jī)制，但很難被正確的理解與使用，通過學(xué)習(xí)Java內(nèi)存模型對(duì)volatile專門定義的一些特殊訪問規(guī)則，或許會(huì)對(duì)理解volatile有一定幫助。

Java內(nèi)存模型定義了線程和內(nèi)存之間關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存，本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀 / 寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是 JMM 的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在；它涵蓋內(nèi)存、緩存、寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java的內(nèi)存模型抽象如下：

volatile的語義

volatile主要提供了兩種語義：

1，可見性：

可見性是指一個(gè)線程寫入的值，其他線程能夠立即讀取。在由Java內(nèi)存模型可知道，每個(gè)線程都是有本地內(nèi)存。所以線程A寫入在正常情況下，線程B不能立即讀取。但是在volatile變量，可以保證線程A不寫入本地內(nèi)存直接寫入主內(nèi)存，線程B直接從主內(nèi)存中讀取，不從本地內(nèi)存中讀取。

2，禁止指令重排序：

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令進(jìn)行重排序的一種優(yōu)化手段。

Java程序的幾種重排序

• 編譯器優(yōu)化重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
• 指令級(jí)并行的重排序：如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
• 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序：處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行

volatile的技術(shù)基石--內(nèi)存屏障

內(nèi)存屏障是cpu指令，該指令保證特定操作的順序性和某些內(nèi)存的可見性。插入一條內(nèi)存屏障指令之后會(huì)告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條指令重排序。內(nèi)存屏障所做的另外一件事情就是強(qiáng)制刷出各種CPU cache，如一個(gè)Write-Barrier（寫入屏障）將刷出所有在Barrier之前寫入cache的數(shù)據(jù)，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本。

對(duì)于Java程序而言，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(huì)發(fā)現(xiàn)加入volatile關(guān)鍵字的代碼會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令。

volatile的典型用例

狀態(tài)標(biāo)志，代碼示例如下：

線程1執(zhí)行run()的過程中，可能有另外的線程2調(diào)用了shutdown，所以stop變量必須是volatile（利用的volatile的可見性）。

還有一種常見的用法在雙重檢驗(yàn)的單例實(shí)現(xiàn)上，代碼如下：

instance = new Singleton()這句，這并非是一個(gè)原子操作，事實(shí)上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情：

• 給 instance 分配內(nèi)存
• 調(diào)用 Singleton 的構(gòu)造函數(shù)來初始化成員變量
• 將instance對(duì)象指向分配的內(nèi)存空間（執(zhí)行完這步 instance 就為非 null 了）

如果instance變量沒有加volatile，因?yàn)橹噶钪嘏判虻拇嬖冢涂赡軐?dǎo)致執(zhí)行步驟是1-2-3，也可能是1-3-2。一旦是1-3-2，就可能會(huì)導(dǎo)致訪問未初始化的內(nèi)存。但是加上volatile關(guān)鍵字之后，一定保證是按照1-2-3步驟執(zhí)行的（利用的volatile的禁止重排序）。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)億速云的支持。