1 interviews - 请谈谈你对volatile的理解

1.1 volatile是Java虚拟机提供的轻量级同步机制

主要包含三大特性

1.1.1 保证可见性
1.1.2 不保证原子性

如何解决原子性?

  • 加synchronized
  • juc下面的atomic
1.1.3 禁止指令重排

volatile实现禁止指令重排优化,从而避免多线程环境下,程序出现乱序执行的现象

先了解一个概念,内存屏障(Memory Barrier) 又称内存栅栏,是一个CPU指令,它的作用有两个:

  • 保证特定操作的执行顺序
  • 保证某些变量的内存可见性
    由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。如果在指令之间加入一条Memory Barrier,就会告诉编译器和CPU,不管什么指令都不能在这个Memory Barrier之间进行指令重排序,也就是说:
    \color{red}{通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后进行指令重排序优化}
    内存屏障另外一个作用是强制刷出各种CPU缓存数据,因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

2.1 衍生面试问题

2.1.1 谈一谈JMM?

JVM(java虚拟机)
JMM(java内存模型)
JMM(Java内存模型Java Memory Model, 简称JMM)本身是一种抽象的概念并不真实存在,它描述的是一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。

JMM关于同步的规定:

  • 1 线程解锁前,必须把共享变量的值刷新回主内存
  • 2 线程加锁前,必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  • 3 加锁解锁是同一把锁

由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间),工作内存是每个线程的私有数据区域,而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存,主内存是共享内存区域,所有线程都可以访问。但线程对变量的操作(读取赋值等)都必须在工作内存中进行,首先要将变量从主内存拷贝到自己的工作内存空间,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量写回主内存,不能直接操作主内存中的变量,各个线程中的工作内存存储着主内存中的变量副本拷贝,因此不同的线程无法访问对方的工作内存,线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成,其简要访问过程如下图:

线程对主内存的访问过程

多个线程访问修改变量的过程

主内存
自己的工作内存

硬盘 < 内存 < CPU
CPU和内存之间:缓存cache

2.1.1.1 可见性

通过前面对JMM的介绍,我们知道
各个线程对主内存中共享变量的操作都是各个线程各自拷贝到自己的工作内存进行操作后再写回到主内存中的。

这就可能存在一个线程AAA修改了共享变量X的值但还未写回主内存时,另外一个线程BBB又对主内存中同一个共享变量X进行操作,但此时A线程工作内存中共享变量X对线程B来说并不可见,
这种工作内存与主内存同步延迟现象就造成了可见性问题。

2.1.1.2 原子性

不可分割,完整性,也即某个线程在做某个具体业务时,中间不可以被分割或加塞。需要整理完整
要么同时成功,要么同时失败。

2.1.1.3 有序性

计算机在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器的常常会对指令做重排,一般分一下3种

3种指令重排

单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致。

处理器在进行重排序时必须要考虑指令之间的数据依赖性

多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在,两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测

2.1.1.4 VolatileDemo代码演示可见性+原子性代码

线程安全性获得保证(满足以上3点)

工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题
可以使用synchronized和volatile关键字解决,它们都可以使一个线程修改了变量后,让其他线程立马可见修改后的变量

对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题
可以利用volatile关键字解决,因为volatile的另外一个作用就是禁止重排序优化。

2.1.2 你在哪些地方用到过volatile?

单例模式DCL代码

单例模式volatile分析

DCL(双端检锁)机制不一定线程安全,原因是有指令重排序的存在,加入volatile可以禁止指令重排

原因在于某一个线程执行到第一次检测,读取到的instance不为null时,instance的引用对象可能没有完成初始化
instance = new SingletonOne(); 可以分为以下3步完成(伪代码)

memory = allocate(); // 1. 分配对象内存空间
instance(memory); // 2. 初始化对象
instance = memory; // 3. 设置instance指向刚分配的内存地址, 此时instance != null

步骤2和步骤3不存在数据依赖关系,而且无论重排前还是重拍后,在单线程环境下执行的结果都是一样的。
因此这种重排优化是允许的。
memory = allocate(); // 1. 分配对象内存空间
instance = memory; // 3. 设置instance指向刚分配的内存地址,此时instance != null, 但对象初始化还没有完成!
instance(memory); // 2. 初始化对象

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