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Java面试官最爱问的volatile关键字
2019-11-08 10:49:37 二师兄-公众号-程序新视界
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分类专栏： Java基础
在Java的面试当中，面试官最爱问的就是volatile关键字相关的问题。经过多次面试之后，你是否思考过，为什么他们那么爱问volatile关键字相关的问题？而对于你，如果作为面试官，是否也会考虑采用volatile关键字作为切入点呢？
为什么爱问volatile关键字
爱问volatile关键字的面试官，大多数情况下都是有一定功底的，因为volatile作为切入点，往底层走可以切入Java内存模型（JMM），往并发方向走又可接切入Java并发编程，当然，再深入追究，JVM的底层操作、字节码的操作、单例都可以牵扯出来。
所以说懂的人提问题都是有门道的。那么，先整体来看看volatile关键字都设计到哪些点：内存可见性（JMM特性）、原子性（JMM特性）、禁止指令重排、线程并发、与synchronized的区别……再往深层次挖，可能就涉及到字节码、JVM等。
不过值得庆幸的是，如果你已经学习了微信公众号“程序新视界”JVM系列的文章，上面的知识点已经不是什么问题了，权当是复习了。那么，下面就以面试官提问的形式，在不看答案的情况下，尝试回答，看看学习效果如何。夺命连环问，开始……
面试官：说说volatile关键字的特性
被volatile修饰的共享变量，就具有了以下两点特性：
- 保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;
- 禁止指令重排序；
回答的很好，点出了volatile关键字两大特性。针对该两大特性继续深入。
面试官：什么是内存可见性？能否举例说明？
该问题涉及到Java内存模型（JVM）和它的内存可见性特性，这里将前面系列《Java内存模型(JMM)详解》和《Java内存模型相关原则详解》中的部分内容整理出来回答。
先说内存模型：Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型（JMM）,来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，让Java程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。
Java内存模型是通过变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值，将主内存作为传递媒介。可举例说明内存可见性的过程。
本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本，初始值都为0。线程A执行之后把x更新为1，存放在本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把本地内存中x=1值刷新到主内存中，主内存中的x值变为1。随后，线程B到主内存中去读取更新后的x值，线程B的本地内存的x值也变为了1。
最后再说可见性：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。
无论普通变量还是volatile变量都是如此，只不过volatile变量保证新值能够立马同步到主内存，使用时也立即从主内存刷新，保证了多线程操作时变量的可见性。而普通变量不能够保证。
面试官：提到JMM和可见性，能说说JMM的其他特性吗
我们知道JMM除了可见性，还有原子性和有序性。
原子性即一个操作或一系列是不可中断的。即使是在多个线程的情况下，操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。
比如，对于一个静态变量int x两条线程同时对其赋值，线程A赋值为1，而线程B赋值为2，不管线程如何运行，最终x的值要么是1，要么是2，线程A和线程B间的操作是没有干扰的，这就是原子性操作，不可被中断的。
在Java内存模型中有序性可归纳为这样一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的，如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。
有序性是指对于单线程的执行代码，执行是按顺序依次进行的。但在多线程环境中，则可能出现乱序现象，因为在编译过程会出现“指令重排”，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。
因此，上面归纳的前半句指的是线程内保证串行语义执行，后半句则指指“令重排现”象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。
面试官：你多次提到指令重排，能举例说明吗？
CPU和编译器为了提升程序执行的效率，会按照一定的规则允许进行指令优化。但代码逻辑之间是存在一定的先后顺序，并发执行时按照不同的执行逻辑会得到不同的结果。
举个例说明多线程中可能出现的重排现象：
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
……
}
}
}
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在上面的代码中，单线程执行时，read方法能够获得flag的值进行判断，获得预期结果。但在多线程的情况下就可能出现不同的结果。比如，当线程A进行write操作时，由于指令重排，write方法中的代码执行顺序可能会变成下面这样：
flag = true; //2
a = 1; //1
也就是说可能会先对flag赋值，然后再对a赋值。这在单线程中并不影响最终输出的结果。
但如果与此同时，B线程在调用read方法，那么就有可能出现flag为true但a还是0，这时进入第4步操作的结果就为0，而不是预期的1了。
而volatile关键词修饰的变量，会禁止指令重排的操作，从而在一定程度上避免了多线程中的问题。
面试官：volatile能保证原子性吗？
volatile保证了可见性和有序性（禁止指令重排），那么能否保证原子性呢？
volatile不能保证原子性，它只是对单个volatile变量的读/写具有原子性，但是对于类似i 这样的复合操作就无法保证了。
如下代码，从直观上来讲，感觉输出结果为10000，但实际上并不能保证，就是因为inc 操作属于复合操作。
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) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
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假设线程A，读取了inc的值为10，然被阻塞，因未对变量进行修改，未触发volatile规则。线程B此时也读取inc的值，主存里inc的值依旧为10，做自增，然后立刻写回主存，值为11。此时线程A执行，由于工作内存里保存的是10，所以继续做自增，再写回主存，11又被写了一遍。所以虽然两个线程执行了两次increase()，结果却只加了一次。
有人说，volatile不是会使缓存行无效的吗？但是这里线程A读取之后并没有修改inc值，线程B读取时依旧是10。又有人说，线程B将11写回主存，不会把线程A的缓存行设为无效吗？只有在做读取操作时，发现自己缓存行无效，才会去读主存的值，而线程A的读取操作在线程B写入之前已经做过了，所以这里线程A只能继续做自增了。
针对这种情况，只能使用synchronized、Lock或并发包下的atomic的原子操作类。
面试官：刚提到synchronized，能说说它们之间的区别吗
- volatile本质是在告诉JVM当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取；synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。
- volatile仅能使用在变量级别；synchronized则可以使用在变量、方法和类级别的；
- volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性；
- volatile不会造成线程的阻塞；synchronized可能会造成线程的阻塞。
- volatile标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量可以被编译器优化。
面试官：还能举出其他例子说明volatile的作用吗
可举单例模式的实现，典型的双重检查锁定（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;
}
}
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这是一种懒汉的单例模式，使用时才创建对象，而且为了避免初始化操作的指令重排序，给instance加上了volatile。
为什么用了synchronized还要用volatile？具体来说就是synchronized虽然保证了原子性，但却没有保证指令重排序的正确性，会出现A线程执行初始化，但可能因为构造函数里面的操作太多了，所以A线程的instance实例还没有造出来，但已经被赋值了（即代码中2操作，先分配内存空间后构建对象）。
而B线程这时过来了（代码1操作，发现instance不为null），错以为instance已经被实例化出来，一用才发现instance尚未被初始化。要知道我们的线程虽然可以保证原子性，但程序可能是在多核CPU上执行。
小结
当然，针对volatile关键字还有其他方面的拓展，比如讲到JMM时可拓展到JMM与Java内存模型的区别，讲到原子性时可扩展到如何查看class字节码，讲到并发可扩展到线程并发的方法面面。
其实，不仅面试如此，在学习知识时也可以参考这种面试思维，多问几个为什么。将一个点，通过为什么拓展成一个知识网。
原文链接：《Java面试官最爱问的volatile关键字》
《面试官》系列文章：
- 《JVM之内存结构详解》
- 《面试官，不要再问我“Java GC垃圾回收机制”了》
- 《面试官，Java8 JVM内存结构变了，永久代到元空间》
- 《面试官，不要再问我“Java 垃圾收集器”了》
- 《Java虚拟机类加载器及双亲委派机制》
- 《Java内存模型(JMM)详解》
- 《Java内存模型相关原则详解》
- 《Java面试官最爱问的volatile关键字》
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Java 8：一文掌握 Lambda 表达式
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本文将介绍 Java 8 新增的 Lambda 表达式，包括 Lambda 表达式的常见用法以及方法引用的用法，并对 Lambda 表达式的原理进行分析，最后对 Lambda 表达式的优缺点进行一个总... 博文
Python中几个非常有趣的模块
10-24 阅读数 1万+
最近学习Python，发现了许多有趣的模块。感觉开启了新世界的大门，因为我也不是对所有模块都熟悉，所以今天不是讲代码。 1、ItChat 这是一个微信自动回复的模块，因为我微信一直无法登陆，所以也没有... 博文
Linux/C/C++ 不可错过的好书
10-24 阅读数 4161
来源：公众号【编程珠玑】
作者：守望先生
ID：shouwangxiansheng
前言
经常有读者让我推荐书籍，这次我就把我私藏的计算机书单分享给你们！不过由于时间匆忙，不会进行更加详细…
博文
从月薪3K的中专生，到身家千万的CTO！人生最大的对手，就是自已
10-25 阅读数 1万+
关注“技术领导力”博客，独家大厂干货推送
文/Daniel.W
David坐在我对面，窗外是梦境般的外滩夜景，繁星点点的璀璨灯火，散落在黄浦江两岸。我转过头对David说，你丫挺会享受啊，约我…
博文
这应该是把计算机网络五层模型讲的最好是文章了，看不懂你打我
10-25 阅读数 1万+
帅地：用心写好每一篇文章！
前言
天各一方的两台计算机是如何通信的呢？在成千上万的计算机中，为什么一台计算机能够准确着寻找到另外一台计算机，并且把数据发送给它呢？
可能很多人都听说过网络通信的 5 …
博文
单点登录（SSO）
10-26 阅读数 1万+
一、SSO（单点登录）介绍
SSO英文全称Single SignOn，单点登录。SSO是在多个应用系统中，用户只需要登录一次就可以访问所有相互信任的应用系统。它包括可以将这次主要的登录映射到其他应用…
博文
漫话：什么是 https ?这应该是全网把 https 讲的最好的一篇文章了
10-26 阅读数 1万+
今天这篇文章，讲通过对话的形式，让你由浅入深着知道，为什么 Https 是安全的。
一、对称加密
一禅：在每次发送真实数据之前，服务器先生成一把密钥，然后先把密钥传输给客户端。之后服务器给客…
博文
史上最全的mysql基础教程
10-28 阅读数 3673
启动与停止
启动mysql服务
sudo /usr/local/mysql/support-files/mysql.server start
停止mysql服务
sudo /usr/loc…
博文
为什么你学不会递归？告别递归，谈谈我的经验
10-28 阅读数 1万+
可能很多人在大一的时候，就已经接触了递归了，不过，我敢保证很多人初学者刚开始接触递归的时候，是一脸懵逼的，我当初也是，给我的感觉就是，递归太神奇了！ 可能也有一大部分人知道递归，也能看的懂递归，但在实... 博文
大学四年，分享看过的优质书籍
10-27 阅读数 1万+
数据结构与算法是我在大学里第一次接触到的，当时学了很多其他安卓、网页之类的，一开始就感觉纳闷，数据结构和算法学这个有啥用，再加上上的是一所野鸡大学，老师讲的也是模模糊糊，平时做项目、练习也几乎不用数据... 博文
2019双十一淘宝天猫刷喵币
10-28 阅读数 1万+
实现步骤
下载并安装Auto.js
官网网址:https://hyb1996.github.io/AutoJs-Docs
Github地址:https://github.com/hyb1996/Au…
博文
有哪些让程序员受益终生的建议
10-28 阅读数 1万+
从业五年多，辗转两个大厂，出过书，创过业，从技术小白成长为基层管理，联合几个业内大牛回答下这个问题，希望能帮到大家，记得帮我点赞哦。
敲黑板！！！读了这篇文章，你将知道如何才能进大厂，如何实现财务自…
博文
最近程序员频繁被抓，如何避免面向监狱编程！？
10-28 阅读数 5万+
最近，有关程序员因为参与某些项目开发导致被起诉，甚至被判刑的事件发生的比较多： 某程序员因为接了个外包，帮别人写了个软件，结果这个软件被用于赌博导致被抓。 某公司利用爬虫抓取用户信息，最后被发现，导致... 博文
一文搞懂什么是TCP/IP协议
10-28 阅读数 1万+
什么是TCP/IP协议?
计算机与网络设备之间如果要相互通信,双方就必须基于相同的方法.比如如何探测到通信目标.由哪一边先发起通信,使用哪种语言进行通信,怎样结束通信等规则都需要事先确定.不同的硬件…
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各大公司在GitHub上开源投入排名分析
11-05 阅读数 2120
基于GitHub的数据进行分析各个公司在开源上的投入排名 博文
大学四年自学走来，这些私藏的实用工具/学习网站我贡献出来了
10-28 阅读数 7万+
大学四年，看课本是不可能一直看课本的了，对于学习，特别是自学，善于搜索网上的一些资源来辅助，还是非常有必要的，下面我就把这几年私藏的各种资源，网站贡献出来给你们。主要有：电子书搜索、实用工具、在线视频... 博文
学习 Java 应该关注哪些网站？
10-28 阅读数 1万+
经常有一些读者问我：“二哥，学习 Java 应该关注哪些网站？”，我之前的态度一直是上知乎、上搜索引擎搜一下不就知道了。但读者对我这个态度很不满意，他们说，“我在问你，又不是问知乎，问搜索引擎。”你还... 博文
哪些 Java 知识不需要再学了
10-28 阅读数 9254
张无忌在学太极拳的时候，他爹的师父张三丰告诫他一定要把之前所学习的武功全部忘掉，忘得越多就会学得越快。 同样的，自学 Java 的时候一定要先知道哪些 Java 知识不需要再学了，毕竟技术的更新迭代就... 博文
二叉树（从建树、遍历到存储）Java
11-06 阅读数 430
目录一、结构二、二叉树的遍历1.前序遍历（递归+非递归）2.中序遍历（递归+非递归）3.后序遍历（递归+非递归）4.层次遍历代码功能快捷键合理的创建标题，有助于目录的生成如何改变文本的样式插入链接与图... 博文
Vue + Spring Boot 项目实战（十四）：用户认证方案与完善的访问拦截
11-03 阅读数 2658
本篇文章主要讲解 token、session 等用户认证方案的区别并分析常见误区，以及如何通过前后端的配合实现完善的访问拦截，为下一步权限控制的实现打下基础。... 博文
大学四年，我把私藏的自学「学习网站/实用工具」都贡献出来了
10-29 阅读数 2万+
在分享之前，先说说初学者如何学习编程，这个话题想必非常的重要，要学好编程，给你一些学习网站也好、实用工具也好，但前提是你知道如何去学习它。 见过很多初学者，以及小鹿我刚开始学习的时候，也是自己瞎摸索，... 博文
中国麻将：世界上最早的区块链项目
10-29 阅读数 2万+
中国麻将：世界上最早的区块链项目
最近区块链这个玩意又被市场搞的很是火热，相信大部分人都不太清楚这玩意到底是怎么样的一个概念，它来了，它来了，它到底是啥~ 国家都开始发文支持了，下面是一个通俗易懂的…
博文
比特币原理详解
10-29 阅读数 7296
一、什么是比特币
比特币是一种电子货币，是一种基于密码学的货币，在2008年11月1日由中本聪发表比特币白皮书，文中提出了一种去中心化的电子记账系统，我们平时的电子现金是银行来记账，因为银行的背后是…
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Python 基础（一）：入门必备知识
10-30 阅读数 1万+
Python 入门必备知识，你都掌握了吗？ 博文
Spring简介、框架核心、优缺点、应用场景
10-29 阅读数 2649
文章目录Spring简介Spring的设计目标Spring的优缺点优点缺点Spring的应用场景 Spring简介
Spring是一个轻量级Java开发框架，最早有Rod Johnson创建，目的是…
博文
这30个CSS选择器，你必须熟记（上）
10-30 阅读数 1万+
关注前端达人，与你共同进步CSS的魅力就是让我们前端工程师像设计师一样进行网页的设计，我们能轻而易举的改变颜色、布局、制作出漂亮的影音效果等等，我们只需要改几行代码，不需...... 博文