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在Java相关的岗位面试中#xff0c;很多面试官都喜欢考察面试者对Java并发的了解程度#xff0c;而以volatile关键字作为一个小的切入点#xff0c;往往可以一问到底#xff0c;把Java内存模型#xff08;JMM#xff09;#xff0c;Jav…转载自 面试官最爱问的并发问题
在Java相关的岗位面试中很多面试官都喜欢考察面试者对Java并发的了解程度而以volatile关键字作为一个小的切入点往往可以一问到底把Java内存模型JMMJava并发编程的一些特性都牵扯出来深入地话还可以考察JVM底层实现以及操作系统的相关知识。
1关于Java并发,说说你对volatile关键字的理解
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 2详细说下什么是内存可见性什么是重排序
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;
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 0i 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0i 1 //i 1
线程1: save i to 主存
线程2 save i to 主存
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。 3.可以具体说一说这三个特性吗
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;
上面4个操作中i2是读取操作必定是原子性操作ji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
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; //1flag true; //2}public void multiply() {if (flag) { //3int ret a * a;//4}
}
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2ret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-133Java 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。 4.volatile关键字如何满足并发编程的三大特性
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; //1flag true; //2}public void multiply() {if (flag) { //3int ret a * a;//4}
}
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; //1flag true; //2}public void multiply() {if (flag) { //3int ret a * a;//4}
}
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
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)
volatile规则2 happens-before 3
传递性规则1 happens-before 4 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。
5.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 i0;i10;i){new Thread(){public void run() {for(int j0;j1000;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);}
}
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。 6.volatile底层的实现机制是什么
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。 7.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; //1flag true; //2
}public void multiply() {if (flag) { //3int ret a * a;//4}
}
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(instancenull) {synchronized (Singleton.class) {if(instancenull)instance new Singleton();}}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。
