java面试-谈谈你对volatile的理解

Z时代
2024-01-10
分类：综合

java

一、volatile特性：

volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制。主要有三大特性：

保证可见性

不保证原子性

禁止指令重排序

1、保证可见性

1）代码演示

AAA线程修改变量number的值为60，main线程获取到的number值是0，就一直循环等待。

原因：int number = 0;number变量之前没有添加volatile关键字，没有可见性。添加volatile关键字，可以解决可见性问题。

public class VolatileDemo {
    int number = 0;
    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }
    //volatile可以保证可见性，及时通知其他线程，主物理内存的值已经被修改
    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个线程是main线程
        while (volatileDemo.number == 0) {
            //main线程就一直等待循环，直到number的值不等于0
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " mission is over, main thread number value:" + volatileDemo.number);
    }
}

2）volatile是如何来保证可见性的呢？

如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令。

将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。

这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

2、不保证原子性

1）代码演示

volatile修饰number，进行number++操作，每次执行number的返回结果都不一样

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

2）volatile为什么不保证原子性？

number++被拆分成3个指令：

getfield  从主内存中拿到原始值
iadd      在线程工作内存中进行加1操作
putfield  把累加后的值写回主内存
如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取number的值，
那么第二个线程就会与第一个线程看到同一个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败。

3）如何解决原子性问题

CAS机制：AtomicInteger number = AtomicInteger(0)

锁机制：synchronized、Lock

3、禁止指令重排序

volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

volatile写-读的内存语义：

当写一个volatile变量时，JMM会把线程A对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
当读一个volatile变量时，JMM会把线程B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。

线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

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);
        }
    }
}

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序

volatile写插入内存屏障：

volatile读插入内存屏障：

二、你在哪些地方用到过volatile

1、单例模式(双重检查锁DCL)

以下代码不一定线程安全，原因是有指令重排序的存在，某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
因为instance = new SingletonDemo();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间可能会重排序
使用volatile禁止指令重排序，对volatile变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作

public class SignletonDemo {
    private static SignletonDemo instance;
    private SignletonDemo() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 构造方法SingletonDemo");
    }
    public static SignletonDemo getInstance() {
        //第一次检测
        if (instance == null) {
            //同步
            synchronized (SignletonDemo.class) {
                if (instance == null) {
                    //多线程环境下可能会出现问题的地方
                    instance = new SignletonDemo();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}