[TOC] 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; 复制代码 ~~~ 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 复制代码 ~~~ 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； 复制代码 ~~~ 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 复制代码 ~~~ 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 } } 复制代码 ~~~ 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 } } 复制代码 ~~~ 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 } } 复制代码 ~~~ 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); } 复制代码 ~~~ 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 } } 复制代码 ~~~ 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; } } 复制代码 ~~~ 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。