Java面試官最愛問的volatile關鍵字

在Java的面試當中,面試官最愛問的就是volatile關鍵字相關的問題。經過多次面試之後,你是否思考過,爲什麼他們那麼愛問volatile關鍵字相關的問題?而對於你,如果作爲面試官,是否也會考慮採用volatile關鍵字作爲切入點呢?
爲什麼愛問volatile關鍵字

愛問volatile關鍵字的面試官,大多數情況下都是有一定功底的,因爲volatile作爲切入點,往底層走可以切入Java內存模型(JMM),往併發方向走又可接切入Java併發編程,當然,再深入追究,JVM的底層操作、字節碼的操作、單例都可以牽扯出來。

所以說懂的人提問題都是有門道的。那麼,先整體來看看volatile關鍵字都設計到哪些點:內存可見性(JMM特性)、原子性(JMM特性)、禁止指令重排、線程併發、與synchronized的區別……再往深層次挖,可能就涉及到字節碼、JVM等。

不過值得慶幸的是,如果你已經學習了微信公衆號“程序新視界”JVM系列的文章,上面的知識點已經不是什麼問題了,權當是複習了。那麼,下面就以面試官提問的形式,在不看答案的情況下,嘗試回答,看看學習效果如何。奪命連環問,開始……
面試官:說說volatile關鍵字的特性

被volatile修飾的共享變量,就具有了以下兩點特性:

保證了不同線程對該變量操作的內存可見性;
禁止指令重排序;

回答的很好,點出了volatile關鍵字兩大特性。針對該兩大特性繼續深入。
面試官:什麼是內存可見性?能否舉例說明?

該問題涉及到Java內存模型(JVM)和它的內存可見性特性,這裏將前面系列《Java內存模型(JMM)詳解》和《Java內存模型相關原則詳解》中的部分內容整理出來回答。

先說內存模型:Java虛擬機規範試圖定義一種Java內存模型(JMM),來屏蔽掉各種硬件和操作系統的內存訪問差異,讓Java程序在各種平臺上都能達到一致的內存訪問效果。

JMM

Java內存模型是通過變量修改後將新值同步回主內存,在變量讀取前從主內存刷新變量值,將主內存作爲傳遞媒介。可舉例說明內存可見性的過程。

JMM

本地內存A和B有主內存中共享變量x的副本,初始值都爲0。線程A執行之後把x更新爲1,存放在本地內存A中。當線程A和線程B需要通信時,線程A首先會把本地內存中x=1值刷新到主內存中,主內存中的x值變爲1。隨後,線程B到主內存中去讀取更新後的x值,線程B的本地內存的x值也變爲了1。

最後再說可見性:可見性是指當一個線程修改了共享變量的值,其他線程能夠立即得知這個修改。

無論普通變量還是volatile變量都是如此,只不過volatile變量保證新值能夠立馬同步到主內存,使用時也立即從主內存刷新,保證了多線程操作時變量的可見性。而普通變量不能夠保證。
面試官:提到JMM和可見性,能說說JMM的其他特性嗎

我們知道JMM除了可見性,還有原子性和有序性。

原子性即一個操作或一系列是不可中斷的。即使是在多個線程的情況下,操作一旦開始,就不會被其他線程干擾。

比如,對於一個靜態變量int x兩條線程同時對其賦值,線程A賦值爲1,而線程B賦值爲2,不管線程如何運行,最終x的值要麼是1,要麼是2,線程A和線程B間的操作是沒有干擾的,這就是原子性操作,不可被中斷的。

在Java內存模型中有序性可歸納爲這樣一句話:如果在本線程內觀察,所有操作都是有序的,如果在一個線程中觀察另一個線程,所有操作都是無序的。

有序性是指對於單線程的執行代碼,執行是按順序依次進行的。但在多線程環境中,則可能出現亂序現象,因爲在編譯過程會出現“指令重排”,重排後的指令與原指令的順序未必一致。

因此,上面歸納的前半句指的是線程內保證串行語義執行,後半句則指指“令重排現”象和“工作內存與主內存同步延遲”現象。
面試官:你多次提到指令重排,能舉例說明嗎?

CPU和編譯器爲了提升程序執行的效率,會按照一定的規則允許進行指令優化。但代碼邏輯之間是存在一定的先後順序,併發執行時按照不同的執行邏輯會得到不同的結果。

舉個例說明多線程中可能出現的重排現象:

class ReOrderDemo {
int a = 0;
boolean flag = false;

public void write() {
    a = 1;                   //1
    flag = true;             //2
}

public void read() {
    if (flag) {                //3
        int i =  a * a;        //4
        ……
    }
}

}

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在上面的代碼中,單線程執行時,read方法能夠獲得flag的值進行判斷,獲得預期結果。但在多線程的情況下就可能出現不同的結果。比如,當線程A進行write操作時,由於指令重排,write方法中的代碼執行順序可能會變成下面這樣:

flag = true; //2
a = 1; //1

1
2

也就是說可能會先對flag賦值,然後再對a賦值。這在單線程中並不影響最終輸出的結果。

但如果與此同時,B線程在調用read方法,那麼就有可能出現flag爲true但a還是0,這時進入第4步操作的結果就爲0,而不是預期的1了。

而volatile關鍵詞修飾的變量,會禁止指令重排的操作,從而在一定程度上避免了多線程中的問題。
面試官:volatile能保證原子性嗎?

volatile保證了可見性和有序性(禁止指令重排),那麼能否保證原子性呢?

volatile不能保證原子性,它只是對單個volatile變量的讀/寫具有原子性,但是對於類似i 這樣的複合操作就無法保證了。

如下代碼,從直觀上來講,感覺輸出結果爲10000,但實際上並不能保證,就是因爲inc 操作屬於複合操作。

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行完
        Thread.yield();
    System.out.println(test.inc);
}

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假設線程A,讀取了inc的值爲10,然被阻塞,因未對變量進行修改,未觸發volatile規則。線程B此時也讀取inc的值,主存裏inc的值依舊爲10,做自增,然後立刻寫回主存,值爲11。此時線程A執行,由於工作內存裏保存的是10,所以繼續做自增,再寫回主存,11又被寫了一遍。所以雖然兩個線程執行了兩次increase(),結果卻只加了一次。

有人說,volatile不是會使緩存行無效的嗎?但是這裏線程A讀取之後並沒有修改inc值,線程B讀取時依舊是10。又有人說,線程B將11寫回主存,不會把線程A的緩存行設爲無效嗎?只有在做讀取操作時,發現自己緩存行無效,纔會去讀主存的值,而線程A的讀取操作在線程B寫入之前已經做過了,所以這裏線程A只能繼續做自增了。

針對這種情況,只能使用synchronized、Lock或併發包下的atomic的原子操作類。
面試官:剛提到synchronized,能說說它們之間的區別嗎

volatile本質是在告訴JVM當前變量在寄存器(工作內存)中的值是不確定的,需要從主存中讀取;synchronized則是鎖定當前變量,只有當前線程可以訪問該變量,其他線程被阻塞住。
volatile僅能使用在變量級別;synchronized則可以使用在變量、方法和類級別的;
volatile僅能實現變量的修改可見性,不能保證原子性;而synchronized則可以保證變量的修改可見性和原子性;
volatile不會造成線程的阻塞;synchronized可能會造成線程的阻塞。
volatile標記的變量不會被編譯器優化;synchronized標記的變量可以被編譯器優化。

面試官:還能舉出其他例子說明volatile的作用嗎

可舉單例模式的實現,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) { // 1
        synchronized (Singleton.class) {
            if(instance==null)
                instance = new Singleton(); // 2
        }
    }
    return instance;
}

}

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這是一種懶漢的單例模式,使用時才創建對象,而且爲了避免初始化操作的指令重排序,給instance加上了volatile。

爲什麼用了synchronized還要用volatile?具體來說就是synchronized雖然保證了原子性,但卻沒有保證指令重排序的正確性,會出現A線程執行初始化,但可能因爲構造函數裏面的操作太多了,所以A線程的instance實例還沒有造出來,但已經被賦值了(即代碼中2操作,先分配內存空間後構建對象)。http://www.daiqiyang.com

而B線程這時過來了(代碼1操作,發現instance不爲null),錯以爲instance已經被實例化出來,一用才發現instance尚未被初始化。要知道我們的線程雖然可以保證原子性,但程序可能是在多核CPU上執行。
小結

當然,針對volatile關鍵字還有其他方面的拓展,比如講到JMM時可拓展到JMM與Java內存模型的區別,講到原子性時可擴展到如何查看class字節碼,講到併發可擴展到線程併發的方法面面。
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原文鏈接:https://blog.csdn.net/wo541075754/article/details/102968894

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