大家好,我是指北君。
今天来了解一下面试题:你对 volatile 了解多少。要了解 volatile 关键字,就得从 Java 内存模型开始。最后到 volatile 的原理。
一、Java 内存模型 (JMM)
大家都知道 Java 程序可以做到一次编写然后到处运行。这个功劳要归功于 Java 虚拟机。Java 虚拟机中定义了一种 Jva 内存模型(JMM),用来屏蔽掉各种硬件和操作系统之间内存访问差异,让 Java 程序可以在各中平台中访问变量达到相同的效果。
JMM 的主要目标是定义了程序中变量的访问规则,就是内存中存放和读取变量的一些底层的细节。
JMM 规则
- 变量包含实例字段,静态字段,构成数组对象的元素,不包含局部变量和方法参数。
- 变量都存储在主内存上。
- 每个线程在 CPU 中都有自己的工作内存,工作内存保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。
- 线程对变量的所有操作都只能在工作内存,不能直接读写主内存的变量。
- 不同线程之间无法之间访问对方工作内存中的变量。
定义一个静态变量: static int a = 1;
线程 1 工作内存 | 指向 | 主内存 | 操作 |
---|---|---|---|
– | – | a = 1 | – |
a = 1 | <– | a = 1 | 线程 1 拷贝主内存变量副本 |
a = 3 | – | a = 1 | 线程 1 修改工作内存变量值 |
a = 3 | –> | a = 3 | 线程 1 工作内存变量存储到主内存变量 |
上面的一系列内存操作,在 JMM 中定义了 8 种操作来完成。
JMM 交互
主内存和工作内存之间的交互,JMM 定义了 8 种操作来完成,每个操作都是原子性的。
- lock (锁定): 作用于主内存变量,把一个变量标识为一条内存独占的状态。
- unlock (解锁): 作用于主内存变量,把 lock 状态的变量释放出来,释放出来后才能被其他线程锁定。
- read (读取): 作用于主内存变量,把一个变量的值从主内存传输到工作内存中。
- load (载入): 作用于工作内存变量,把 read 操作的变量放入到工作内存副本中。
- use (使用): 作用于工作内存变量,把工作内存中的变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到需要这个变量的值的字节码指令时都执行这个操作。
- assgin (赋值): 作用于工作内存变量,把从执行引擎收到的值赋值给工作内存变量,每当虚拟机遇到需要赋值变量的值的字节码指令时都执行这个操作。
- store (存储): 作用于工作内存变量,把工作内存中的一个变量值,传送到主内存。
- write (写入): 作用于主内存变量,把 store 操作的从工作内存取到的变量写入主内存变量中。
从上图中可知,JMM 交互在一条线程中是不会出现任何的问题。但是当有两条线程的时候,线程 1 已经修改了变量的值,但是并未刷新到主内存时,如果此时线程 2 读取变量得到的值并不是线程 1 修改过的数据。
当引入线程 2 的时候 定义一个静态变量: static int a = 1; 操作顺序 | 线程 1 工作内存 | 线程 2 工作内存 | 指向 | 主内存 | 操作 – | – | – | – | – | – – | – | – | – | a = 1 | – 1 | a = 1 | – | <– | a = 1 | 线程 1 拷贝主内存变量副本 2 | a = 3 | – | – | a = 1 | 线程 1 修改工作内存变量值 3 | a = 3 | – | –> | a = 1 | 线程 1 工作内存变量存储到主内存变量,主内存变量还未更新 4.1 | a = 3 | a = 1 | <– | a = 3 | 线程 2 拷贝主内存变量副本随后主内存变量更新线程 1 工作内存变量 4.2 | a = 3 | a = 1 | <– | a = 3 | 线程 1 工作内存变量存储到主内存变量随后线程 2 获取主内存变量副本
下面就可以用 volatile 关键字解决问题。
二、volatile
volatile 可以保证变量对所有线程可见,一条线程修改的值,其他线程对新值可以立即得知。还可以禁止指令的重排序。
可见性
修改内存变量后立刻同步到主内存中,其他的线程立刻得知得益于 Java 的先行发生原则
先行发生原则中的 volatile 原则:一个 volatile 变量的写操作先行于后面发生的这个变量的读操作
定义一个静态变量: static int a = 1;
线程 1 工作内存 | 线程 2 工作内存 | 指向 | 主内存 | 操作 |
---|---|---|---|---|
– | – | – | a = 1 | – |
a = 1 | – | <– | a = 1 | 线程 1 拷贝主内存变量副本 |
a = 3 | – | – | a = 1 | 线程 1 修改工作内存变量值 |
a = 3 | – | –> | a = 1 | 线程 1 工作内存变量存储到主内存变量 |
a = 3 | a = 3 | <– | a = 3 | volatile 原则: 主内存变量保存线程A工作内存变量操作在线程 2 工作内存读取主内存变量操作之前 |
可见性原理
对 volatile 修饰的变量,在执行写操作的时候会多出一条 lock 前缀的指令。JVM 将 lock 前缀指令发送给 CPU ,CPU 处理写操作后将最后的值立刻写回主内存,因为有 MESI 缓存一致性协议保证了各个 CPU 的缓存是一致的,所以各个 CPU 缓存都会对总线进行嗅探,本地缓存中的数据是否被别的线程修改了。
如果别的线程修改了共享变量的数据,那么 CPU 就会将本地缓存的变量数据过期掉,然后这个 CPU 上执行的线程在读取共享变量的时候,就会从主内存重新加载最新的数据。
原子性
volatile 并不保证变量具有原子性。
1 |
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这段代码的结果有可能不是 100000,有可能小于 100000。因为 num++ 并不是原子性的。
有序性
volatile 是通过禁止指令重排序来保证有序性。为了优化程序的执行效率 JVM 在编译 Java 代码的时候或者 CPU 在执行 JVM 字节码的时候,不影响最终结果的前提下会对指令进行重新排序。
编译器会根据以下策略将内存屏障插入到指令中,禁止重排序:
- 在 volatile 写操作之前插入 StoreStore 屏障。禁止和 StoreStore 屏障之前的普通写操作不会进行重排序。
- 在 volatile 写操作之后插入 StoreLoad 屏障。禁止和 StoreLoad 屏障之后的 volatile 读写重排序。
- 在 volatile 读操作之后插入 LoadLoad 屏障。禁止和 LoadLoad 之后的普通读和 volatile 读重排序。
- 在 volatile 写操作之后插入 LoadStore 屏障。禁止和 LoadStore 屏障之后的普通写操作重排序。
总结
面试被问到 volatile 的时候,可以从 Java 内存模型到原子性、有序性、可见性,最后到 volatile 的原理:内存屏障和 lock 前缀指令。
我是指北君,操千曲而后晓声,观千剑而后识器。感谢各位人才的:点赞、收藏和评论,我们下期更精彩!