互联网面试题之请谈谈你对volatile的理解

JUC(java.util.concurrent)

并发和并行

volatile 是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制

volatile三大特性

  • 保证可见性
  • 不保证原子性
  • 禁止指令重排序

JMM你谈谈

JMM(Java Memory Model,Java内存模型,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

  • 线程解锁前,必须把共享变量的值刷新回主内存
  • 线程加锁前,必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  • 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,但线程对变量对操作(读取赋值等)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中存储着主内存的变量副本拷贝,因此不同的线程间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:

JMM 规范三大特性

  • 可见性
  • 原子性
  • 有序性

volatile遵循了JMM规范的可见性和有序性但不保证原子性。

硬盘 < 内存 < CPU
内存和CPU之间存在缓存cache

CPU-Z 工具

volatile 禁止指令重排序

JMM规范中的有序性,计算机在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排,一般分为以下3种:
源代码 - 编译器优化的重排 - 指令并行的重排 - 内存系统的重排 - 最终执行的指令

  • 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(单线程环境下,指令重排不影响程序最终结果)
  • 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。

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

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:
一是保证特定操作的执行顺序
二是保证某些变量的内存可见性(利用该特性实现volatile的内存可见性)。

由于编译器和处理器都能执行指令重排序,如果在指令间插入一条Memory Barrier 则会告诉编译器和CPU,不管什么指令都不能和这条Memory Barrier 指令重排序,也就是说 通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。内存屏障的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据,因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

线程安全性获得保证

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后的变量立即对其他线程可见。

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。

可见性代码验证

你在哪些地方用过volatile?

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