Java面試官最愛問的volatile關鍵字

2019 年 11 月 8 日
筆記

在Java的面試當中，面試官最愛問的就是volatile關鍵字相關的問題。經過多次面試之後，你是否思考過，為什麼他們那麼愛問volatile關鍵字相關的問題？而對於你，如果作為面試官，是否也會考慮採用volatile關鍵字作為切入點呢？

為什麼愛問volatile關鍵字

愛問volatile關鍵字的面試官，大多數情況下都是有一定功底的，因為volatile作為切入點，往底層走可以切入Java記憶體模型（JMM），往並發方向走又可接切入Java並發編程，當然，再深入追究，JVM的底層操作、位元組碼的操作、單例都可以牽扯出來。

所以說懂的人提問題都是有門道的。那麼，先整體來看看volatile關鍵字都設計到哪些點：記憶體可見性（JMM特性）、原子性（JMM特性）、禁止指令重排、執行緒並發、與synchronized的區別……再往深層次挖，可能就涉及到位元組碼、JVM等。

不過值得慶幸的是，如果你已經學習了微信公眾號「程式新視界」JVM系列的文章，上面的知識點已經不是什麼問題了，權當是複習了。那麼，下面就以面試官提問的形式，在不看答案的情況下，嘗試回答，看看學習效果如何。奪命連環問，開始……

面試官：說說volatile關鍵字的特性

被volatile修飾的共享變數，就具有了以下兩點特性：

保證了不同執行緒對該變數操作的記憶體可見性;
禁止指令重排序；

回答的很好，點出了volatile關鍵字兩大特性。針對該兩大特性繼續深入。

面試官：什麼是記憶體可見性？能否舉例說明？

該問題涉及到Java記憶體模型（JVM）和它的記憶體可見性特性，這裡將前面系列《Java記憶體模型(JMM)詳解》和《Java記憶體模型相關原則詳解》中的部分內容整理出來回答。

先說記憶體模型：Java虛擬機規範試圖定義一種Java記憶體模型（JMM）,來屏蔽掉各種硬體和作業系統的記憶體訪問差異，讓Java程式在各種平台上都能達到一致的記憶體訪問效果。

Java記憶體模型是通過變數修改後將新值同步回主記憶體，在變數讀取前從主記憶體刷新變數值，將主記憶體作為傳遞媒介。可舉例說明記憶體可見性的過程。

本地記憶體A和B有主記憶體中共享變數x的副本，初始值都為0。執行緒A執行之後把x更新為1，存放在本地記憶體A中。當執行緒A和執行緒B需要通訊時，執行緒A首先會把本地記憶體中x=1值刷新到主記憶體中，主記憶體中的x值變為1。隨後，執行緒B到主記憶體中去讀取更新後的x值，執行緒B的本地記憶體的x值也變為了1。

最後再說可見性：可見性是指當一個執行緒修改了共享變數的值，其他執行緒能夠立即得知這個修改。

無論普通變數還是volatile變數都是如此，只不過volatile變數保證新值能夠立馬同步到主記憶體，使用時也立即從主記憶體刷新，保證了多執行緒操作時變數的可見性。而普通變數不能夠保證。

面試官：提到JMM和可見性，能說說JMM的其他特性嗎

我們知道JMM除了可見性，還有原子性和有序性。

原子性即一個操作或一系列是不可中斷的。即使是在多個執行緒的情況下，操作一旦開始，就不會被其他執行緒干擾。

比如，對於一個靜態變數int x兩條執行緒同時對其賦值，執行緒A賦值為1，而執行緒B賦值為2，不管執行緒如何運行，最終x的值要麼是1，要麼是2，執行緒A和執行緒B間的操作是沒有干擾的，這就是原子性操作，不可被中斷的。

在Java記憶體模型中有序性可歸納為這樣一句話：如果在本執行緒內觀察，所有操作都是有序的，如果在一個執行緒中觀察另一個執行緒，所有操作都是無序的。

有序性是指對於單執行緒的執行程式碼，執行是按順序依次進行的。但在多執行緒環境中，則可能出現亂序現象，因為在編譯過程會出現「指令重排」，重排後的指令與原指令的順序未必一致。

因此，上面歸納的前半句指的是執行緒內保證串列語義執行，後半句則指指「令重排現」象和「工作記憶體與主記憶體同步延遲」現象。

面試官：你多次提到指令重排，能舉例說明嗎？

CPU和編譯器為了提升程式執行的效率，會按照一定的規則允許進行指令優化。但程式碼邏輯之間是存在一定的先後順序，並發執行時按照不同的執行邏輯會得到不同的結果。

舉個例說明多執行緒中可能出現的重排現象：

class ReOrderDemo {      int a = 0;      boolean flag = false;        public void write() {          a = 1;                   //1          flag = true;             //2      }        public void read() {          if (flag) {                //3              int i =  a * a;        //4              ……          }      }  }

在上面的程式碼中，單執行緒執行時，read方法能夠獲得flag的值進行判斷，獲得預期結果。但在多執行緒的情況下就可能出現不同的結果。比如，當執行緒A進行write操作時，由於指令重排，write方法中的程式碼執行順序可能會變成下面這樣：

flag = true;             //2  a = 1;                   //1

也就是說可能會先對flag賦值，然後再對a賦值。這在單執行緒中並不影響最終輸出的結果。

但如果與此同時，B執行緒在調用read方法，那麼就有可能出現flag為true但a還是0，這時進入第4步操作的結果就為0，而不是預期的1了。

而volatile關鍵詞修飾的變數，會禁止指令重排的操作，從而在一定程度上避免了多執行緒中的問題。

面試官：volatile能保證原子性嗎？

volatile保證了可見性和有序性（禁止指令重排），那麼能否保證原子性呢？

volatile不能保證原子性，它只是對單個volatile變數的讀/寫具有原子性，但是對於類似i++這樣的複合操作就無法保證了。

如下程式碼，從直觀上來講，感覺輸出結果為10000，但實際上並不能保證，就是因為inc++操作屬於複合操作。

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)  //保證前面的執行緒都執行完              Thread.yield();          System.out.println(test.inc);      }

假設執行緒A，讀取了inc的值為10，然被阻塞，因未對變數進行修改，未觸發volatile規則。執行緒B此時也讀取inc的值，主存里inc的值依舊為10，做自增，然後立刻寫回主存，值為11。此時執行緒A執行，由於工作記憶體里保存的是10，所以繼續做自增，再寫回主存，11又被寫了一遍。所以雖然兩個執行緒執行了兩次increase()，結果卻只加了一次。

有人說，volatile不是會使快取行無效的嗎？但是這裡執行緒A讀取之後並沒有修改inc值，執行緒B讀取時依舊是10。又有人說，執行緒B將11寫回主存，不會把執行緒A的快取行設為無效嗎？只有在做讀取操作時，發現自己快取行無效，才會去讀主存的值，而執行緒A的讀取操作在執行緒B寫入之前已經做過了，所以這裡執行緒A只能繼續做自增了。

針對這種情況，只能使用synchronized、Lock或並發包下的atomic的原子操作類。

面試官：剛提到synchronized，能說說它們之間的區別嗎

volatile本質是在告訴JVM當前變數在暫存器（工作記憶體）中的值是不確定的，需要從主存中讀取；synchronized則是鎖定當前變數，只有當前執行緒可以訪問該變數，其他執行緒被阻塞住。
volatile僅能使用在變數級別；synchronized則可以使用在變數、方法和類級別的；
volatile僅能實現變數的修改可見性，不能保證原子性；而synchronized則可以保證變數的修改可見性和原子性；
volatile不會造成執行緒的阻塞；synchronized可能會造成執行緒的阻塞。
volatile標記的變數不會被編譯器優化；synchronized標記的變數可以被編譯器優化。

面試官：還能舉出其他例子說明volatile的作用嗎

可舉單例模式的實現，典型的雙重檢查鎖定（DCL）：

class Singleton{      private volatile static Singleton instance = null;        private Singleton() {}        public static Singleton getInstance() {          if(instance==null) { // 1              synchronized (Singleton.class) {                  if(instance==null)                      instance = new Singleton(); // 2              }          }          return instance;      }  }

這是一種懶漢的單例模式，使用時才創建對象，而且為了避免初始化操作的指令重排序，給instance加上了volatile。

為什麼用了synchronized還要用volatile？具體來說就是synchronized雖然保證了原子性，但卻沒有保證指令重排序的正確性，會出現A執行緒執行初始化，但可能因為構造函數裡面的操作太多了，所以A執行緒的instance實例還沒有造出來，但已經被賦值了（即程式碼中2操作，先分配記憶體空間後構建對象）。

而B執行緒這時過來了（程式碼1操作，發現instance不為null），錯以為instance已經被實例化出來，一用才發現instance尚未被初始化。要知道我們的執行緒雖然可以保證原子性，但程式可能是在多核CPU上執行。

小結

當然，針對volatile關鍵字還有其他方面的拓展，比如講到JMM時可拓展到JMM與Java記憶體模型的區別，講到原子性時可擴展到如何查看class位元組碼，講到並發可擴展到執行緒並發的方法面面。

其實，不僅面試如此，在學習知識時也可以參考這種面試思維，多問幾個為什麼。將一個點，通過為什麼拓展成一個知識網。

原文鏈接：《Java面試官最愛問的volatile關鍵字》

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