詳解Java面試官最愛問的volatile關(guān)鍵字

本文向大家分享的主要內(nèi)容是Java面試中一個(gè)常見的知識(shí)點(diǎn)：volatile關(guān)鍵字。本文詳細(xì)介紹了volatile關(guān)鍵字的方方面面，希望大家在閱讀過本文之后，能完美解決volatile關(guān)鍵字的相關(guān)問題。

 在Java相關(guān)的崗位面試中，很多面試官都喜歡考察面試者對(duì)Java并發(fā)的了解程度，而以volatile關(guān)鍵字作為一個(gè)小的切入點(diǎn)，往往可以一問到底，把Java內(nèi)存模型（JMM），Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來，深入地話還可以考察JVM底層實(shí)現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。 下面我們以一次假想的面試過程，來深入了解下volitile關(guān)鍵字吧！

面試官: Java并發(fā)這塊了解的怎么樣？說說你對(duì)volatile關(guān)鍵字的理解

就我理解的而言，被volatile修飾的共享變量，就具有了以下兩點(diǎn)特性：

1.保證了不同線程對(duì)該變量操作的內(nèi)存可見性;
2.禁止指令重排序

面試官: 能不能詳細(xì)說下什么是內(nèi)存可見性，什么又是重排序呢？

這個(gè)聊起來可就多了，我還是從Java內(nèi)存模型說起吧。 Java虛擬機(jī)規(guī)范試圖定義一種Java內(nèi)存模型（JMM）,來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，讓Java程序在各種平臺(tái)上都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。簡(jiǎn)單來說，由于CPU執(zhí)行指令的速度是很快的，但是內(nèi)存訪問的速度就慢了很多，相差的不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以搞處理器的那群大佬們又在CPU里加了好幾層高速緩存。 在Java內(nèi)存模型里，對(duì)上述的優(yōu)化又進(jìn)行了一波抽象。JMM規(guī)定所有變量都是存在主存中的，類似于上面提到的普通內(nèi)存，每個(gè)線程又包含自己的工作內(nèi)存，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速緩存。所以線程的操作都是以工作內(nèi)存為主，它們只能訪問自己的工作內(nèi)存，且工作前后都要把值在同步回主內(nèi)存。 這么說得我自己都有些不清楚了，拿張紙畫一下：

在線程執(zhí)行時(shí)，首先會(huì)從主存中read變量值，再load到工作內(nèi)存中的副本中，然后再傳給處理器執(zhí)行，執(zhí)行完畢后再給工作內(nèi)存中的副本賦值，隨后工作內(nèi)存再把值傳回給主存，主存中的值才更新。 使用工作內(nèi)存和主存，雖然加快的速度，但是也帶來了一些問題。比如看下面一個(gè)例子：

i = i + 1;

假設(shè)i初值為0，當(dāng)只有一個(gè)線程執(zhí)行它時(shí)，結(jié)果肯定得到1，當(dāng)兩個(gè)線程執(zhí)行時(shí)，會(huì)得到結(jié)果2嗎？這倒不一定了?？赡艽嬖谶@種情況：

線程1： load i from 主存  // i = 0
    i + 1 // i = 1
線程2： load i from主存 // 因?yàn)榫€程1還沒將i的值寫回主存，所以i還是0
    i + 1 //i = 1
線程1: save i to 主存
線程2： save i to 主存

如果兩個(gè)線程按照上面的執(zhí)行流程，那么i最后的值居然是1了。如果最后的寫回生效的慢，你再讀取i的值，都可能是0，這就是緩存不一致問題。 下面就要提到你剛才問到的問題了，JMM主要就是圍繞著如何在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性這3個(gè)特征來建立的，通過解決這三個(gè)問題，可以解除緩存不一致的問題。而volatile跟可見性和有序性都有關(guān)。

面試官：那你具體說說這三個(gè)特性呢？

1.原子性(Atomicity)： Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的讀取和賦值操作是原子性操作，所謂原子性操作就是指這些操作是不可中斷的，要做一定做完，要么就沒有執(zhí)行。 比如：

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

上面4個(gè)操作中，i=2是讀取操作，必定是原子性操作，j=i你以為是原子性操作，其實(shí)吧，分為兩步，一是讀取i的值，然后再賦值給j,這就是2步操作了，稱不上原子操作，i++和i = i + 1其實(shí)是等效的，讀取i的值，加1，再寫回主存，那就是3步操作了。所以上面的舉例中，最后的值可能出現(xiàn)多種情況，就是因?yàn)闈M足不了原子性。 這么說來，只有簡(jiǎn)單的讀取，賦值是原子操作，還只能是用數(shù)字賦值，用變量的話還多了一步讀取變量值的操作。有個(gè)例外是，虛擬機(jī)規(guī)范中允許對(duì)64位數(shù)據(jù)類型(long和double)，分為2次32為的操作來處理，但是最新JDK實(shí)現(xiàn)還是實(shí)現(xiàn)了原子操作的。 JMM只實(shí)現(xiàn)了基本的原子性，像上面i++那樣的操作，必須借助于synchronized和Lock來保證整塊代碼的原子性了。線程在釋放鎖之前，必然會(huì)把i的值刷回到主存的。 2. 可見性(Visibility)： 說到可見性，Java就是利用volatile來提供可見性的。 當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾時(shí)，那么對(duì)它的修改會(huì)立刻刷新到主存，當(dāng)其它線程需要讀取該變量時(shí)，會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。 其實(shí)通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，線程在釋放鎖之前，會(huì)把共享變量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的開銷都更大。 3. 有序性（Ordering） JMM是允許編譯器和處理器對(duì)指令重排序的，但是規(guī)定了as-if-serial語(yǔ)義，即不管怎么重排序，程序的執(zhí)行結(jié)果不能改變。比如下面的程序段：

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

上面的語(yǔ)句，可以按照A->B->C執(zhí)行，結(jié)果為3.14,但是也可以按照B->A->C的順序執(zhí)行，因?yàn)锳、B是兩句獨(dú)立的語(yǔ)句，而C則依賴于A、B，所以A、B可以重排序，但是C卻不能排到A、B的前面。JMM保證了重排序不會(huì)影響到單線程的執(zhí)行，但是在多線程中卻容易出問題。 比如這樣的代碼:

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
  }
}

假如有兩個(gè)線程執(zhí)行上述代碼段，線程1先執(zhí)行write，隨后線程2再執(zhí)行multiply，最后ret的值一定是4嗎？結(jié)果不一定：

如圖所示，write方法里的1和2做了重排序，線程1先對(duì)flag賦值為true，隨后執(zhí)行到線程2，ret直接計(jì)算出結(jié)果，再到線程1，這時(shí)候a才賦值為2,很明顯遲了一步。 這時(shí)候可以為flag加上volatile關(guān)鍵字，禁止重排序，可以確保程序的有序性，也可以上重量級(jí)的synchronized和Lock來保證有序性,它們能保證那一塊區(qū)域里的代碼都是一次性執(zhí)行完畢的。 另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過任何手段就可以保證的有序性，通常稱為happens-before原則。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規(guī)則： 1.程序順序規(guī)則： 一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作 2.監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)線程的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)線程的加鎖 3.volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀 4.傳遞性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C 5.start()規(guī)則： 如果線程A執(zhí)行操作ThreadB_start()(啟動(dòng)線程B) , 那么A線程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作 6.join()原則： 如果A執(zhí)行ThreadB.join()并且成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。 7.interrupt()原則： 對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測(cè)是否有中斷發(fā)生 8.finalize()原則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始 第1條規(guī)則程序順序規(guī)則是說在一個(gè)線程里，所有的操作都是按順序的，但是在JMM里其實(shí)只要執(zhí)行結(jié)果一樣，是允許重排序的，這邊的happens-before強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也是單線程執(zhí)行結(jié)果的正確性，但是無法保證多線程也是如此。 第2條規(guī)則監(jiān)視器規(guī)則其實(shí)也好理解，就是在加鎖之前，確定這個(gè)鎖之前已經(jīng)被釋放了，才能繼續(xù)加鎖。 第3條規(guī)則，就適用到所討論的volatile，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量，另外一個(gè)線程再去讀，那么寫入操作一定在讀操作之前。 第4條規(guī)則，就是happens-before的傳遞性。 后面幾條就不再一一贅述了。

面試官：volatile關(guān)鍵字如何滿足并發(fā)編程的三大特性的？

那就要重提volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。 這條再拎出來說，其實(shí)就是如果一個(gè)變量聲明成是volatile的，那么當(dāng)我讀變量時(shí)，總是能讀到它的最新值，這里最新值是指不管其它哪個(gè)線程對(duì)該變量做了寫操作，都會(huì)立刻被更新到主存里，我也能從主存里讀到這個(gè)剛寫入的值。也就是說volatile關(guān)鍵字可以保證可見性以及有序性。 繼續(xù)拿上面的一段代碼舉例：

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
  }
}

這段代碼不僅僅受到重排序的困擾，即使1、2沒有重排序。3也不會(huì)那么順利的執(zhí)行的。假設(shè)還是線程1先執(zhí)行write操作，線程2再執(zhí)行multiply操作，由于線程1是在工作內(nèi)存里把flag賦值為1，不一定立刻寫回主存，所以線程2執(zhí)行時(shí)，multiply再?gòu)闹鞔孀xflag值，仍然可能為false，那么括號(hào)里的語(yǔ)句將不會(huì)執(zhí)行。 如果改成下面這樣：

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
  }
}

那么線程1先執(zhí)行write,線程2再執(zhí)行multiply。根據(jù)happens-before原則，這個(gè)過程會(huì)滿足以下3類規(guī)則： 程序順序規(guī)則：1 happens-before 2; 3 happens-before 4; (volatile限制了指令重排序，所以1 在2 之前執(zhí)行) volatile規(guī)則：2 happens-before 3 傳遞性規(guī)則：1 happens-before 4 當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存 當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效，線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。

面試官：volatile的兩點(diǎn)內(nèi)存語(yǔ)義能保證可見性和有序性，但是能保證原子性嗎？

首先我回答是不能保證原子性，要是說能保證，也只是對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫具有原子性，但是對(duì)于類似volatile++這樣的復(fù)合操作就無能為力了，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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
      Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
  }

按道理來說結(jié)果是10000，但是運(yùn)行下很可能是個(gè)小于10000的值。有人可能會(huì)說volatile不是保證了可見性啊，一個(gè)線程對(duì)inc的修改，另外一個(gè)線程應(yīng)該立刻看到??！可是這里的操作inc++是個(gè)復(fù)合操作啊，包括讀取inc的值，對(duì)其自增，然后再寫回主存。 假設(shè)線程A，讀取了inc的值為10，這時(shí)候被阻塞了，因?yàn)闆]有對(duì)變量進(jìn)行修改，觸發(fā)不了volatile規(guī)則。 線程B此時(shí)也讀讀inc的值，主存里inc的值依舊為10，做自增，然后立刻就被寫回主存了，為11。 此時(shí)又輪到線程A執(zhí)行，由于工作內(nèi)存里保存的是10，所以繼續(xù)做自增，再寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個(gè)線程執(zhí)行了兩次increase()，結(jié)果卻只加了一次。 有人說，volatile不是會(huì)使緩存行無效的嗎？但是這里線程A讀取到線程B也進(jìn)行操作之前，并沒有修改inc值，所以線程B讀取的時(shí)候，還是讀的10。 又有人說，線程B將11寫回主存，不會(huì)把線程A的緩存行設(shè)為無效嗎？但是線程A的讀取操作已經(jīng)做過了啊，只有在做讀取操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存行無效，才會(huì)去讀主存的值，所以這里線程A只能繼續(xù)做自增了。 綜上所述，在這種復(fù)合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了。但是volatile在上面那種設(shè)置flag值的例子里，由于對(duì)flag的讀/寫操作都是單步的，所以還是能保證原子性的。 要想保證原子性，只能借助于synchronized,Lock以及并發(fā)包下的atomic的原子操作類了，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。

面試官：說的還可以，那你知道volatile底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制？

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。 lock前綴指令實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障提供了以下功能： 1.重排序時(shí)不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置 2.使得本CPU的Cache寫入內(nèi)存 ** **3.寫入動(dòng)作也會(huì)引起別的CPU或者別的內(nèi)核無效化其Cache，相當(dāng)于讓新寫入的值對(duì)別的線程可見。

面試官： 你在哪里會(huì)使用到volatile，舉兩個(gè)例子呢？

1.狀態(tài)量標(biāo)記，就如上面對(duì)flag的標(biāo)記，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
  }
}

這種對(duì)變量的讀寫操作，標(biāo)記為volatile可以保證修改對(duì)線程立刻可見。比synchronized,Lock有一定的效率提升。 2.單例模式的實(shí)現(xiàn)，典型的雙重檢查鎖定（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;
  }
}

這是一種懶漢的單例模式，使用時(shí)才創(chuàng)建對(duì)象，而且為了避免初始化操作的指令重排序，給instance加上了volatile。

總結(jié)

以上就是本文關(guān)于詳解Java面試官最愛問的volatile關(guān)鍵字的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站其他相關(guān)專題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對(duì)本站的支持！