面試官：有了解過Volatile關鍵字嗎說說看

作者：程序員皮卡秋 2022-06-09 11:20:44

開發后端

所謂內存可見性, 當一個線程對volatile修飾的變量進行寫操作時，會立即將本地內存中的共享變量刷新到主內存, 同理，當進行讀操作時，會立即將本地內存失效，從主內存中讀取共享變量的值。

概念回顧

首先我們回顧一下之前講的基本概念:

內存可見性

「內存可見性，指的是線程之間的可見性，當一個線程修改了共享變量時，另一個線程可以讀取到這個修改后的值」。

重排序

為優化程序性能，對原有的指令執行順序進行優化重新排序。重排序可能發生在多個階段，比如編譯重排序、CPU重排序等。

happens-before

遵循happens-before規則，JVM就能保證指令在多線程之間的順序性符合執行的預期。

volatile

保證變量的「內存可見性」。
禁止volatile變量與普通變量「重排序」。

那么這個內存可見性過程是怎么樣的呢？之前也有給大家演示過具體代碼，這里直接給大家總結一下:

在這一點上，volatile與鎖具有相同的內存效果，volatile變量的寫和鎖的釋放具有相同的內存語義，volatile變量的讀和鎖的獲取具有相同的內存語義。

禁止重排又是怎么回事呢？

在JSR-133之前的舊的Java內存模型中，是允許volatile變量與普通變量重排序的。想想看，如果可重排，會發生什么？

我們假設有兩個線程A和B,一個被volatile修飾的變量a，一個未被修飾的普通變量b，看下邊代碼:

volatile a = 1;
int b = 2;
public void writer() {
    a = 1; 
    b = 3;
}
public void reader() {
    if (a == 1) { 
        System.out.println(b);
    }
}

線程A執行writer方法,首先將a設置為1，此時B線程操作reader方法,此時判斷a=1,然后進行輸出b=2，線程A多b操作設置為3,其實最終結果應該b=3才對，所以這里重排可能會導致普通變量讀錯的情況。

為了提供一種比鎖更輕量級的「線程間的通信機制」，JSR-133決定增強volatile的內存語義：嚴格限制編譯器和處理器對volatile變量與普通變量的重排序。那么它是怎么禁止的呢?答案是通過內存屏障,或許你聽說過這個概念,下面我們一起看一下。

內存屏障

什么是內存屏障呢？在計算機中，主要分為兩種，一種是讀屏障（Load Barrier）和寫屏障（Store Barrier）。內存屏障有兩個作用：

阻止屏障兩側的指令重排序。
強制把寫緩沖區/高速緩存中的臟數據等寫回主內存，或者讓緩存中相應的數據失效。(這里的緩存指的是cpu的多級緩存如L1,L2)。

我們寫的代碼最終都是要通過編譯器的，那么編譯器是怎么實現這個過程的呢？

編譯器在生成字節碼的時候，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。在Java中，JMM內存屏障插入策略可以保證各平臺處理器下程序的volatile內存語義正確，具體策略:

在每個volatile寫操作前插入一個寫屏障。
在每個volatile寫操作后插入一個寫屏障。
在每個volatile讀操作后插入一個讀屏障。
在每個volatile讀操作后再插入一個讀屏障。

volatile與普通變量的重排序規則:

如果第一個操作是volatile讀，那無論第二個操作是什么，都不能重排序。
如果第二個操作是volatile寫，那無論第一個操作是什么，都不能重排序。
如果第一個操作是volatile寫，第二個操作是volatile讀，那不能重排序。

那么如果第一個操作是普通變量讀，第二個是volatile讀，可以重排嗎？

答案: 可以的。

volatile使用場景

相信在了解以上概念之后，對它應該有一定的認識了， volatile可以保證內存可見性且禁止重排序, 它跟鎖又具有相同的內存語義，又被稱為輕量級鎖。volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性，而鎖可以保證整個「臨界區代碼」的執行具有原子性。所以鎖更高級一點。但也不是說volatile就不好，作為輕量級的鎖，某些場景下還是非常有用的。

我們以雙重鎖檢查單例模式為例,首先我們看一下普通的單例模式:

class Singleton {
    private static Singleton instance;
     private Singleton() {}
    public Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

單線程下你可以這么搞，沒毛病，多線程下就不行了，所有我們要加鎖,于是雙重鎖檢查下的實現:

class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這樣就真沒問題了嗎疑問？我們知道在new的時候，主要做了三件事:

分配內存
變量賦值
初始化對象

這個過程中，可能會導致指令重排，有可能你會說里邊加鎖了,上節給大家介紹順序一致性模型中,我們講過，在同步模式下臨界區內的代碼可以發生重排序，所以這里還是有可能發生重排序的，所以最終的這個過程，可能會這樣。

線程A執行分配內存 -> 變量賦值, 線程B執行判斷 instance不為null 開始訪問對象，實際上對象還未初始化,所以這時候，我們就要加上volatile。

class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這樣在多線程環境下，可以保證其安全性。

結束語

本節內容可能不像之前那么好理解，比較抽象，所以本文也有不足的地方，大家自己可以多查查一些資料，綜合理解, 不要去背概念。本節我們提到了鎖的概念。

責任編輯：姜華來源：今日頭條

volatile 關鍵字

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