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Java面试官最爱问的volatile关键字

面试 Java 时间:2019-11-08  查看:5   收藏

在Java的面试当中,面试官最爱问的就是volatile关键字相关的问题。经过多次面试之后,你是否思考过,为什么他们那么爱问volatile关键字相关的问题?而对于你,如果作为面试官,是否也会考虑采用volatile关键字作为切入点呢?

为什么爱问volatile关键字

爱问volatile关键字的面试官,大多数情况下都是有一定功底的,因为volatile作为切入点,往底层走可以切入Java内存模型(JMM),往并发方向走又可接切入Java并发编程,当然,再深入追究,JVM的底层操作、字节码的操作、单例都可以牵扯出来。

所以说懂的人提问题都是有门道的。那么,先整体来看看volatile关键字都设计到哪些点:内存可见性(JMM特性)、原子性(JMM特性)、禁止指令重排、线程并发、与synchronized的区别……再往深层次挖,可能就涉及到字节码、JVM等。

不过值得庆幸的是,如果你已经学习了微信公众号“程序新视界”JVM系列的文章,上面的知识点已经不是什么问题了,权当是复习了。那么,下面就以面试官提问的形式,在不看答案的情况下,尝试回答,看看学习效果如何。夺命连环问,开始……

面试官:说说volatile关键字的特性

被volatile修饰的共享变量,就具有了以下两点特性:

  • 保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;

  • 禁止指令重排序;

回答的很好,点出了volatile关键字两大特性。针对该两大特性继续深入。

面试官:什么是内存可见性?能否举例说明?

该问题涉及到Java内存模型(JVM)和它的内存可见性特性。

先说内存模型: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

JMM

Java内存模型是通过变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值,将主内存作为传递媒介。可举例说明内存可见性的过程。

JMM

本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本,初始值都为0。线程A执行之后把x更新为1,存放在本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把本地内存中x=1值刷新到主内存中,主内存中的x值变为1。随后,线程B到主内存中去读取更新后的x值,线程B的本地内存的x值也变为了1。

最后再说可见性:可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即得知这个修改

无论普通变量还是volatile变量都是如此,只不过volatile变量保证新值能够立马同步到主内存,使用时也立即从主内存刷新,保证了多线程操作时变量的可见性。而普通变量不能够保证。

面试官:提到JMM和可见性,能说说JMM的其他特性吗

我们知道JMM除了可见性,还有原子性和有序性。

原子性即一个操作或一系列是不可中断的。即使是在多个线程的情况下,操作一旦开始,就不会被其他线程干扰。

比如,对于一个静态变量int x两条线程同时对其赋值,线程A赋值为1,而线程B赋值为2,不管线程如何运行,最终x的值要么是1,要么是2,线程A和线程B间的操作是没有干扰的,这就是原子性操作,不可被中断的。

在Java内存模型中有序性可归纳为这样一句话:如果在本线程内观察,所有操作都是有序的,如果在一个线程中观察另一个线程,所有操作都是无序的。

有序性是指对于单线程的执行代码,执行是按顺序依次进行的。但在多线程环境中,则可能出现乱序现象,因为在编译过程会出现“指令重排”,重排后的指令与原指令的顺序未必一致。

因此,上面归纳的前半句指的是线程内保证串行语义执行,后半句则指指“令重排现”象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

面试官:你多次提到指令重排,能举例说明吗?

CPU和编译器为了提升程序执行的效率,会按照一定的规则允许进行指令优化。但代码逻辑之间是存在一定的先后顺序,并发执行时按照不同的执行逻辑会得到不同的结果。

举个例说明多线程中可能出现的重排现象:

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
            ……
        }
    }
}

在上面的代码中,单线程执行时,read方法能够获得flag的值进行判断,获得预期结果。但在多线程的情况下就可能出现不同的结果。比如,当线程A进行write操作时,由于指令重排,write方法中的代码执行顺序可能会变成下面这样:

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

也就是说可能会先对flag赋值,然后再对a赋值。这在单线程中并不影响最终输出的结果。

但如果与此同时,B线程在调用read方法,那么就有可能出现flag为true但a还是0,这时进入第4步操作的结果就为0,而不是预期的1了。

而volatile关键词修饰的变量,会禁止指令重排的操作,从而在一定程度上避免了多线程中的问题。

面试官:volatile能保证原子性吗?

volatile保证了可见性和有序性(禁止指令重排),那么能否保证原子性呢?

volatile不能保证原子性,它只是对单个volatile变量的读/写具有原子性,但是对于类似i++这样的复合操作就无法保证了。

如下代码,从直观上来讲,感觉输出结果为10000,但实际上并不能保证,就是因为inc++操作属于复合操作。

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)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }

假设线程A,读取了inc的值为10,然被阻塞,因未对变量进行修改,未触发volatile规则。线程B此时也读取inc的值,主存里inc的值依旧为10,做自增,然后立刻写回主存,值为11。此时线程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读取之后并没有修改inc值,线程B读取时依旧是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?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,而线程A的读取操作在线程B写入之前已经做过了,所以这里线程A只能继续做自增了。

针对这种情况,只能使用synchronized、Lock或并发包下的atomic的原子操作类。

面试官:刚提到synchronized,能说说它们之间的区别吗

  • volatile本质是在告诉JVM当前变量在寄存器(工作内存)中的值是不确定的,需要从主存中读取;synchronized则是锁定当前变量,只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞住。

  • volatile仅能使用在变量级别;synchronized则可以使用在变量、方法和类级别的;

  • volatile仅能实现变量的修改可见性,不能保证原子性;而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性;

  • volatile不会造成线程的阻塞;synchronized可能会造成线程的阻塞。

  • volatile标记的变量不会被编译器优化;synchronized标记的变量可以被编译器优化。

面试官:还能举出其他例子说明volatile的作用吗

可举单例模式的实现,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) { // 1
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton(); // 2
            }
        }
        return instance;
    }
}

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。

为什么用了synchronized还要用volatile?具体来说就是synchronized虽然保证了原子性,但却没有保证指令重排序的正确性,会出现A线程执行初始化,但可能因为构造函数里面的操作太多了,所以A线程的instance实例还没有造出来,但已经被赋值了(即代码中2操作,先分配内存空间后构建对象)。

而B线程这时过来了(代码1操作,发现instance不为null),错以为instance已经被实例化出来,一用才发现instance尚未被初始化。要知道我们的线程虽然可以保证原子性,但程序可能是在多核CPU上执行。

小结

当然,针对volatile关键字还有其他方面的拓展,比如讲到JMM时可拓展到JMM与Java内存模型的区别,讲到原子性时可扩展到如何查看class字节码,讲到并发可扩展到线程并发的方法面面。

其实,不仅面试如此,在学习知识时也可以参考这种面试思维,多问几个为什么。将一个点,通过为什么拓展成一个知识网。

 

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