在Java相關(guān)的崗位面試中夫晌，很多面試官都喜歡考察面試者對(duì)Java并發(fā)的了解程度，而以volatile關(guān)鍵字作為一個(gè)小的切入點(diǎn)昧诱，往往可以一問(wèn)到底晓淀，把Java內(nèi)存模型（JMM），Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來(lái)鳄哭，深入地話(huà)還可以考察JVM底層實(shí)現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)要糊。
下面我們以一次假想的面試過(guò)程，來(lái)深入了解下volitile關(guān)鍵字吧妆丘！
面試官: Java并發(fā)這塊了解的怎么樣锄俄？說(shuō)說(shuō)你對(duì)volatile關(guān)鍵字的理解
就我理解的而言，被volatile修飾的共享變量勺拣，就具有了以下兩點(diǎn)特性：
1 . 保證了不同線程對(duì)該變量操作的內(nèi)存可見(jiàn)性;
2 . 禁止指令重排序
面試官: 能不能詳細(xì)說(shuō)下什么是內(nèi)存可見(jiàn)性奶赠，什么又是重排序呢？
這個(gè)聊起來(lái)可就多了药有，我還是從Java內(nèi)存模型說(shuō)起吧毅戈。
Java虛擬機(jī)規(guī)范試圖定義一種Java內(nèi)存模型（JMM）,來(lái)屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，讓Java程序在各種平臺(tái)上都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果愤惰。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)苇经，由于CPU執(zhí)行指令的速度是很快的，但是內(nèi)存訪問(wèn)的速度就慢了很多宦言，相差的不是一個(gè)數(shù)量級(jí)扇单，所以搞處理器的那群大佬們又在CPU里加了好幾層高速緩存。
在Java內(nèi)存模型里奠旺，對(duì)上述的優(yōu)化又進(jìn)行了一波抽象蜘澜。JMM規(guī)定所有變量都是存在主存中的，類(lèi)似于上面提到的普通內(nèi)存响疚，每個(gè)線程又包含自己的工作內(nèi)存鄙信，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速緩存。所以線程的操作都是以工作內(nèi)存為主忿晕，它們只能訪問(wèn)自己的工作內(nèi)存装诡，且工作前后都要把值在同步回主內(nèi)存。
這么說(shuō)得我自己都有些不清楚了，拿張紙畫(huà)一下：
在線程執(zhí)行時(shí)慎王，首先會(huì)從主存中read變量值蚓土，再load到工作內(nèi)存中的副本中宏侍，然后再傳給處理器執(zhí)行赖淤，執(zhí)行完畢后再給工作內(nèi)存中的副本賦值，隨后工作內(nèi)存再把值傳回給主存谅河，主存中的值才更新咱旱。
使用工作內(nèi)存和主存，雖然加快的速度绷耍，但是也帶來(lái)了一些問(wèn)題吐限。比如看下面一個(gè)例子：
i = i + 1;
假設(shè)i初值為0，當(dāng)只有一個(gè)線程執(zhí)行它時(shí)褂始，結(jié)果肯定得到1诸典，當(dāng)兩個(gè)線程執(zhí)行時(shí)，會(huì)得到結(jié)果2嗎崎苗？這倒不一定了狐粱。可能存在這種情況：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
線程1： load i from 主存 // i = 0
i + 1 // i = 1
線程2： load i from主存 // 因?yàn)榫€程1還沒(méi)將i的值寫(xiě)回主存胆数，所以i還是0
i + 1 //i = 1
線程1: save i to 主存
線程2： save i to 主存
</pre>
如果兩個(gè)線程按照上面的執(zhí)行流程肌蜻，那么i最后的值居然是1了。如果最后的寫(xiě)回生效的慢必尼，你再讀取i的值蒋搜，都可能是0，這就是緩存不一致問(wèn)題判莉。
下面就要提到你剛才問(wèn)到的問(wèn)題了豆挽，JMM主要就是圍繞著如何在并發(fā)過(guò)程中如何處理原子性、可見(jiàn)性和有序性這3個(gè)特征來(lái)建立的券盅，通過(guò)解決這三個(gè)問(wèn)題帮哈，可以解除緩存不一致的問(wèn)題。而volatile跟可見(jiàn)性和有序性都有關(guān)渗饮。
面試官：那你具體說(shuō)說(shuō)這三個(gè)特性呢但汞？
1 . 原子性(Atomicity)： Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的讀取和賦值操作是原子性操作互站，所謂原子性操作就是指這些操作是不可中斷的私蕾，要做一定做完，要么就沒(méi)有執(zhí)行胡桃。
比如：
i = 2;j = i;i++;i = i + 1踩叭；
上面4個(gè)操作中，i=2是讀取操作，必定是原子性操作容贝，j=i你以為是原子性操作自脯，其實(shí)吧，分為兩步斤富，一是讀取i的值膏潮，然后再賦值給j,這就是2步操作了，稱(chēng)不上原子操作满力，i++和i = i + 1其實(shí)是等效的焕参，讀取i的值，加1油额，再寫(xiě)回主存叠纷，那就是3步操作了。所以上面的舉例中潦嘶，最后的值可能出現(xiàn)多種情況涩嚣，就是因?yàn)闈M(mǎn)足不了原子性。
這么說(shuō)來(lái)掂僵，只有簡(jiǎn)單的讀取航厚，賦值是原子操作，還只能是用數(shù)字賦值看峻，用變量的話(huà)還多了一步讀取變量值的操作阶淘。有個(gè)例外是，虛擬機(jī)規(guī)范中允許對(duì)64位數(shù)據(jù)類(lèi)型(long和double)互妓，分為2次32為的操作來(lái)處理溪窒，但是最新JDK實(shí)現(xiàn)還是實(shí)現(xiàn)了原子操作的。
JMM只實(shí)現(xiàn)了基本的原子性冯勉，像上面i++那樣的操作澈蚌，必須借助于synchronized和Lock來(lái)保證整塊代碼的原子性了。線程在釋放鎖之前灼狰，必然會(huì)把i的值刷回到主存的宛瞄。
2 . 可見(jiàn)性(Visibility)：
說(shuō)到可見(jiàn)性，Java就是利用volatile來(lái)提供可見(jiàn)性的交胚。
當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾時(shí)份汗，那么對(duì)它的修改會(huì)立刻刷新到主存，當(dāng)其它線程需要讀取該變量時(shí)蝴簇，會(huì)去內(nèi)存中讀取新值杯活。而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。
其實(shí)通過(guò)synchronized和Lock也能夠保證可見(jiàn)性熬词，線程在釋放鎖之前旁钧，會(huì)把共享變量值都刷回主存吸重，但是synchronized和Lock的開(kāi)銷(xiāo)都更大。
3 . 有序性（Ordering）
JMM是允許編譯器和處理器對(duì)指令重排序的歪今，但是規(guī)定了as-if-serial語(yǔ)義嚎幸，即不管怎么重排序，程序的執(zhí)行結(jié)果不能改變寄猩。比如下面的程序段：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
double pi = 3.14; //A
double r = 1; //B
double s= pi * r * r;//C
</pre>
上面的語(yǔ)句嫉晶，可以按照A->B->C執(zhí)行，結(jié)果為3.14,但是也可以按照B->A->C的順序執(zhí)行焦影，因?yàn)锳车遂、B是兩句獨(dú)立的語(yǔ)句封断，而C則依賴(lài)于A斯辰、B，所以A坡疼、B可以重排序彬呻，但是C卻不能排到A、B的前面柄瑰。JMM保證了重排序不會(huì)影響到單線程的執(zhí)行闸氮，但是在多線程中卻容易出問(wèn)題。
比如這樣的代碼:
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
int a = 0;
bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
</pre>
假如有兩個(gè)線程執(zhí)行上述代碼段教沾，線程1先執(zhí)行write蒲跨，隨后線程2再執(zhí)行multiply，最后ret的值一定是4嗎授翻？結(jié)果不一定：
如圖所示或悲，write方法里的1和2做了重排序，線程1先對(duì)flag賦值為true堪唐，隨后執(zhí)行到線程2巡语，ret直接計(jì)算出結(jié)果，再到線程1淮菠，這時(shí)候a才賦值為2,很明顯遲了一步男公。
這時(shí)候可以為flag加上volatile關(guān)鍵字，禁止重排序合陵，可以確保程序的“有序性”枢赔，也可以上重量級(jí)的synchronized和Lock來(lái)保證有序性,它們能保證那一塊區(qū)域里的代碼都是一次性執(zhí)行完畢的。
另外拥知，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過(guò)任何手段就可以保證的有序性踏拜，通常稱(chēng)為happens-before原則。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規(guī)則：
程序順序規(guī)則： 一個(gè)線程中的每個(gè)操作举庶，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作
監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)線程的解鎖执隧，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)線程的加鎖
volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě)，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀
傳遞性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C
start()規(guī)則： 如果線程A執(zhí)行操作
ThreadB_start()(啟動(dòng)線程B) , 那么A線程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作join()原則： 如果A執(zhí)行
ThreadB.join()并且成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回镀琉。interrupt()原則： 對(duì)線程
interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生峦嗤，可以通過(guò)Thread.interrupted()方法檢測(cè)是否有中斷發(fā)生finalize()原則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于它的
finalize()方法的開(kāi)始
第1條規(guī)則程序順序規(guī)則是說(shuō)在一個(gè)線程里，所有的操作都是按順序的屋摔，但是在JMM里其實(shí)只要執(zhí)行結(jié)果一樣烁设，是允許重排序的，這邊的happens-before強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也是單線程執(zhí)行結(jié)果的正確性钓试，但是無(wú)法保證多線程也是如此装黑。
第2條規(guī)則監(jiān)視器規(guī)則其實(shí)也好理解，就是在加鎖之前弓熏，確定這個(gè)鎖之前已經(jīng)被釋放了恋谭，才能繼續(xù)加鎖。
第3條規(guī)則挽鞠，就適用到所討論的volatile疚颊，如果一個(gè)線程先去寫(xiě)一個(gè)變量，另外一個(gè)線程再去讀信认，那么寫(xiě)入操作一定在讀操作之前材义。
第4條規(guī)則，就是happens-before的傳遞性嫁赏。
后面幾條就不再一一贅述了其掂。
面試官：volatile關(guān)鍵字如何滿(mǎn)足并發(fā)編程的三大特性的？
那就要重提volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě)潦蝇，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀款熬。
這條再拎出來(lái)說(shuō)，其實(shí)就是如果一個(gè)變量聲明成是volatile的护蝶，那么當(dāng)我讀變量時(shí)华烟，總是能讀到它的最新值，這里最新值是指不管其它哪個(gè)線程對(duì)該變量做了寫(xiě)操作持灰，都會(huì)立刻被更新到主存里盔夜，我也能從主存里讀到這個(gè)剛寫(xiě)入的值。也就是說(shuō)volatile關(guān)鍵字可以保證可見(jiàn)性以及有序性堤魁。
繼續(xù)拿上面的一段代碼舉例：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
int a = 0;
bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
</pre>
這段代碼不僅僅受到重排序的困擾喂链，即使1、2沒(méi)有重排序妥泉。3也不會(huì)那么順利的執(zhí)行的椭微。假設(shè)還是線程1先執(zhí)行write操作，線程2再執(zhí)行multiply操作盲链，由于線程1是在工作內(nèi)存里把flag賦值為1蝇率，不一定立刻寫(xiě)回主存迟杂，所以線程2執(zhí)行時(shí)，multiply再?gòu)闹鞔孀xflag值本慕，仍然可能為false排拷，那么括號(hào)里的語(yǔ)句將不會(huì)執(zhí)行。
如果改成下面這樣：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
</pre>
那么線程1先執(zhí)行write,線程2再執(zhí)行multiply锅尘。根據(jù)happens-before原則监氢，這個(gè)過(guò)程會(huì)滿(mǎn)足以下3類(lèi)規(guī)則：
程序順序規(guī)則：1 happens-before 2; 3 happens-before 4; (volatile限制了指令重排序，所以1 在2 之前執(zhí)行)
volatile規(guī)則：2 happens-before 3
傳遞性規(guī)則：1 happens-before 4
從內(nèi)存語(yǔ)義上來(lái)看
當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí)藤违，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存
當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí)浪腐，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效，線程接下來(lái)將從主內(nèi)存中讀取共享變量顿乒。
面試官：volatile的兩點(diǎn)內(nèi)存語(yǔ)義能保證可見(jiàn)性和有序性议街，但是能保證原子性嗎？
首先我回答是不能保證原子性淆游，要是說(shuō)能保證傍睹，也只是對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性，但是對(duì)于類(lèi)似volatile++這樣的復(fù)合操作就無(wú)能為力了犹菱，比如下面的例子：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
</pre>
按道理來(lái)說(shuō)結(jié)果是10000，但是運(yùn)行下很可能是個(gè)小于10000的值吮炕。有人可能會(huì)說(shuō)volatile不是保證了可見(jiàn)性啊腊脱，一個(gè)線程對(duì)inc的修改，另外一個(gè)線程應(yīng)該立刻看到傲住陕凹！可是這里的操作inc++是個(gè)復(fù)合操作啊，包括讀取inc的值鳄炉，對(duì)其自增杜耙，然后再寫(xiě)回主存。
假設(shè)線程A拂盯，讀取了inc的值為10佑女，這時(shí)候被阻塞了，因?yàn)闆](méi)有對(duì)變量進(jìn)行修改谈竿，觸發(fā)不了volatile規(guī)則团驱。
線程B此時(shí)也讀讀inc的值，主存里inc的值依舊為10空凸，做自增嚎花，然后立刻就被寫(xiě)回主存了，為11呀洲。
此時(shí)又輪到線程A執(zhí)行紊选，由于工作內(nèi)存里保存的是10啼止，所以繼續(xù)做自增，再寫(xiě)回主存兵罢，11又被寫(xiě)了一遍族壳。所以雖然兩個(gè)線程執(zhí)行了兩次increase()，結(jié)果卻只加了一次趣些。
有人說(shuō)仿荆，volatile不是會(huì)使緩存行無(wú)效的嗎？但是這里線程A讀取到線程B也進(jìn)行操作之前坏平，并沒(méi)有修改inc值拢操，所以線程B讀取的時(shí)候，還是讀的10舶替。
又有人說(shuō)令境，線程B將11寫(xiě)回主存，不會(huì)把線程A的緩存行設(shè)為無(wú)效嗎顾瞪？但是線程A的讀取操作已經(jīng)做過(guò)了啊舔庶，只有在做讀取操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存行無(wú)效陈醒，才會(huì)去讀主存的值惕橙，所以這里線程A只能繼續(xù)做自增了。
綜上所述钉跷，在這種復(fù)合操作的情景下弥鹦，原子性的功能是維持不了了。但是volatile在上面那種設(shè)置flag值的例子里爷辙，由于對(duì)flag的讀/寫(xiě)操作都是單步的彬坏，所以還是能保證原子性的。
要想保證原子性膝晾，只能借助于synchronized,Lock以及并發(fā)包下的atomic的原子操作類(lèi)了烛恤，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的 自增（加1操作）雹熬，自減（減1操作）、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝干发，保證這些操作是原子性操作裳扯。
面試官：說(shuō)的還可以铜秆，那你知道volatile底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制誓琼？
如果把加入volatile關(guān)鍵字的代碼和未加入volatile關(guān)鍵字的代碼都生成匯編代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)加入volatile關(guān)鍵字的代碼會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令巍扛。
lock前綴指令實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障领跛，內(nèi)存屏障提供了以下功能：
1 . 重排序時(shí)不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置
2 . 使得本CPU的Cache寫(xiě)入內(nèi)存
3 . 寫(xiě)入動(dòng)作也會(huì)引起別的CPU或者別的內(nèi)核無(wú)效化其Cache，相當(dāng)于讓新寫(xiě)入的值對(duì)別的線程可見(jiàn)撤奸。
面試官： 你在哪里會(huì)使用到volatile吠昭，舉兩個(gè)例子呢喊括？
1. 狀態(tài)量標(biāo)記，就如上面對(duì)flag的標(biāo)記矢棚，我重新提一下：
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
</pre>
這種對(duì)變量的讀寫(xiě)操作郑什，標(biāo)記為volatile可以保證修改對(duì)線程立刻可見(jiàn)。比synchronized,Lock有一定的效率提升蒲肋。
2.單例模式的實(shí)現(xiàn)蘑拯，典型的雙重檢查鎖定（DCL）
<pre class="" style="margin: 0px; padding: 2px; max-width: 100%; box-sizing: inherit; overflow-wrap: normal; -webkit-tap-highlight-color: transparent; overflow-x: auto; background-color: rgb(63, 63, 63); color: rgb(220, 220, 220); border-radius: 3px; line-height: 1.4; font-size: 16px;">
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
</pre>
這是一種懶漢的單例模式，使用時(shí)才創(chuàng)建對(duì)象兜粘，而且為了避免初始化操作的指令重排序申窘，給instance加上了volatile。
