java面試-談談你對volatile的理解

一、volatile特性：

volatile是Java虛擬機提供的輕量級的同步機制。主要有三大特性：

• 保證可見性
• 不保證原子性
• 禁止指令重排序

1、保證可見性

1）代碼演示

AAA線程修改變量number的值為60，main線程獲取到的number值是0，就一直循環等待。

原因：int number = 0;number變量之前沒有添加volatile關鍵字，沒有可見性。添加volatile關鍵字，可以解決可見性問題。

public class VolatileDemo {
    int number = 0;

    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }

    //volatile可以保證可見性，及時通知其他線程，主物理內存的值已經被修改
    public static void main(String[] args) {
        VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " come in");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            volatileDemo.addTo60();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " update number value:" + volatileDemo.number);

        }, "AAA").start();

        //第2個線程是main線程
        while (volatileDemo.number == 0) {
            //main線程就一直等待循環，直到number的值不等於0

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " mission is over, main thread number value:" + volatileDemo.number);
    }
}　　

2）volatile是如何來保證可見性的呢？

如果對聲明了volatile的變量進行寫操作，JVM就會向處理器發送一條Lock前綴的指令。

• 將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。
• 這個寫回內存的操作會使在其他CPU里緩存了該內存地址的數據無效。

2、不保證原子性

1）代碼演示

 volatile修飾number，進行number++操作，每次執行number的返回結果都不一樣

public class VolatileDemo {
    volatile int number = 0;

    public void increase() {
        number++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    volatileDemo.increase();
                }
            }).start();
        }

        // 默認有 main 線程和 gc 線程
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " finally number value:" + volatileDemo.number);
    }
}

2）volatile為什么不保證原子性？

 number++被拆分成3個指令：

getfield  從主內存中拿到原始值
iadd      在線程工作內存中進行加1操作
putfield  把累加后的值寫回主內存
如果第二個線程在第一個線程讀取舊值和寫回新值期間讀取number的值，
那么第二個線程就會與第一個線程看到同一個值，並執行相同值的加1操作，這也就造成了線程安全失敗。

3）如何解決原子性問題

• CAS機制：AtomicInteger number = AtomicInteger(0)
• 鎖機制：synchronized、Lock

3、禁止指令重排序

volatile的寫-讀與鎖的釋放-獲取有相同的內存效果。

volatile寫-讀的內存語義：

當寫一個volatile變量時，JMM會把線程A對應的本地內存中的共享變量值刷新到主內存。
當讀一個volatile變量時，JMM會把線程B對應的本地內存置為無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。

線程A寫一個volatile變量，隨后線程B讀這個volatile變量，實質上是線程A通過主內存向線程B發送消息。

public class VolatileExample {
    int a = 0;

    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }


    public void reader() {
        if (flag) {
            System.out.println("resultValue:" + a);
        }

    }
}

 

為了實現volatile的內存語義，編譯器在生成字節碼時，會在指令序列中插入內存屏障來禁止特定類型的處理器重排序

volatile寫插入內存屏障：

volatile讀插入內存屏障：

 二、你在哪些地方用到過volatile

1、單例模式(雙重檢查鎖DCL)

以下代碼不一定線程安全，原因是有指令重排序的存在，某個線程執行到第一次檢測，讀取到的instance不為null時，instance的引用對象可能沒有完成初始化
因為instance = new SingletonDemo();可以分為以下3步完成(偽代碼)
      memory = allocate(); //1.分配對象內存空間
      instance(memory);    //2.初始化對象
      instance = memory;   //3.設置instance指向剛分配的內存地址，此時instance！=null
      步驟2和步驟3間可能會重排序
使用volatile禁止指令重排序，對volatile變量的寫操作都先行發生於后面對這個變量的讀操作

public class SignletonDemo {

    private static SignletonDemo instance;

    private SignletonDemo() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 構造方法SingletonDemo");
    }

    public static SignletonDemo getInstance() {
        //第一次檢測
        if (instance == null) {
            //同步
            synchronized (SignletonDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    //多線程環境下可能會出現問題的地方
                    instance = new SignletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

附：六種常見的單例模式

2、讀寫鎖手寫緩存

3、CAS JUC包中大量使用volatile