面試官：有了解過(guò)Volatile關(guān)鍵字嗎說(shuō)說(shuō)看

作者：程序員皮卡秋 2022-06-09 11:20:44

所謂內(nèi)存可見(jiàn)性, 當(dāng)一個(gè)線程對(duì)volatile修飾的變量進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)立即將本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存, 同理，當(dāng)進(jìn)行讀操作時(shí)，會(huì)立即將本地內(nèi)存失效，從主內(nèi)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(nèi)存可見(jiàn)性

「內(nèi)存可見(jiàn)性，指的是線程之間的可見(jiàn)性，當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量時(shí)，另一個(gè)線程可以讀取到這個(gè)修改后的值」。

重排序

為優(yōu)化程序性能，對(duì)原有的指令執(zhí)行順序進(jìn)行優(yōu)化重新排序。重排序可能發(fā)生在多個(gè)階段，比如編譯重排序、CPU重排序等。

happens-before

遵循h(huán)appens-before規(guī)則，JVM就能保證指令在多線程之間的順序性符合執(zhí)行的預(yù)期。

volatile

保證變量的「內(nèi)存可見(jiàn)性」。
禁止volatile變量與普通變量「重排序」。

那么這個(gè)內(nèi)存可見(jiàn)性過(guò)程是怎么樣的呢？之前也有給大家演示過(guò)具體代碼，這里直接給大家總結(jié)一下:

在這一點(diǎn)上，volatile與鎖具有相同的內(nèi)存效果，volatile變量的寫(xiě)和鎖的釋放具有相同的內(nèi)存語(yǔ)義，volatile變量的讀和鎖的獲取具有相同的內(nèi)存語(yǔ)義。

禁止重排又是怎么回事呢？

在JSR-133之前的舊的Java內(nèi)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(huì)發(fā)生什么？

我們假設(shè)有兩個(gè)線程A和B,一個(gè)被volatile修飾的變量a，一個(gè)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(zhí)行writer方法,首先將a設(shè)置為1，此時(shí)B線程操作reader方法,此時(shí)判斷a=1,然后進(jìn)行輸出b=2，線程A多b操作設(shè)置為3,其實(shí)最終結(jié)果應(yīng)該b=3才對(duì)，所以這里重排可能會(huì)導(dǎo)致普通變量讀錯(cuò)的情況。

為了提供一種比鎖更輕量級(jí)的「線程間的通信機(jī)制」，JSR-133決定增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義：嚴(yán)格限制編譯器和處理器對(duì)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(guò)內(nèi)存屏障,或許你聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)概念,下面我們一起看一下。

內(nèi)存屏障

什么是內(nèi)存屏障呢？在計(jì)算機(jī)中，主要分為兩種，一種是讀屏障（Load Barrier）和寫(xiě)屏障（Store Barrier）。內(nèi)存屏障有兩個(gè)作用：

阻止屏障兩側(cè)的指令重排序。
強(qiáng)制把寫(xiě)緩沖區(qū)/高速緩存中的臟數(shù)據(jù)等寫(xiě)回主內(nèi)存，或者讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效。(這里的緩存指的是cpu的多級(jí)緩存如L1,L2)。

我們寫(xiě)的代碼最終都是要通過(guò)編譯器的，那么編譯器是怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的呢？

編譯器在生成字節(jié)碼的時(shí)候，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序。在Java中，JMM內(nèi)存屏障插入策略可以保證各平臺(tái)處理器下程序的volatile內(nèi)存語(yǔ)義正確，具體策略:

在每個(gè)volatile寫(xiě)操作前插入一個(gè)寫(xiě)屏障。
在每個(gè)volatile寫(xiě)操作后插入一個(gè)寫(xiě)屏障。
在每個(gè)volatile讀操作后插入一個(gè)讀屏障。
在每個(gè)volatile讀操作后再插入一個(gè)讀屏障。

volatile與普通變量的重排序規(guī)則:

如果第一個(gè)操作是volatile讀，那無(wú)論第二個(gè)操作是什么，都不能重排序。
如果第二個(gè)操作是volatile寫(xiě)，那無(wú)論第一個(gè)操作是什么，都不能重排序。
如果第一個(gè)操作是volatile寫(xiě)，第二個(gè)操作是volatile讀，那不能重排序。

那么如果第一個(gè)操作是普通變量讀，第二個(gè)是volatile讀，可以重排嗎？

答案: 可以的。

volatile使用場(chǎng)景

相信在了解以上概念之后，對(duì)它應(yīng)該有一定的認(rèn)識(shí)了， volatile可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性且禁止重排序, 它跟鎖又具有相同的內(nèi)存語(yǔ)義，又被稱(chēng)為輕量級(jí)鎖。volatile僅僅保證對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫(xiě)具有原子性，而鎖可以保證整個(gè)「臨界區(qū)代碼」的執(zhí)行具有原子性。所以鎖更高級(jí)一點(diǎn)。但也不是說(shuō)volatile就不好，作為輕量級(jí)的鎖，某些場(chǎng)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(méi)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(shí)現(xiàn):

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(méi)問(wèn)題了嗎疑問(wèn)？我們知道在new的時(shí)候，主要做了三件事:

分配內(nèi)存
變量賦值
初始化對(duì)象

這個(gè)過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致指令重排，有可能你會(huì)說(shuō)里邊加鎖了,上節(jié)給大家介紹順序一致性模型中,我們講過(guò)，在同步模式下臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以發(fā)生重排序，所以這里還是有可能發(fā)生重排序的，所以最終的這個(gè)過(guò)程，可能會(huì)這樣。

線程A執(zhí)行分配內(nèi)存 -> 變量賦值, 線程B執(zhí)行判斷 instance不為null 開(kāi)始訪問(wèn)對(duì)象，實(shí)際上對(duì)象還未初始化,所以這時(shí)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;
    }
}