【面试普通人VS高手系列】volatile关键字有什么用?它的实现原理是什么?

一个工作了6年的Java程序员,在阿里二面,被问到“volatile”关键字。

然后,就没有然后了…

同样,另外一个去美团面试的工作4年的小伙伴,也被“volatile关键字“。

然后,也没有然后了…

这个问题说实话,是有点偏底层,但也的确是并发编程里面比较重要的一个关键字。

下面,我们来看看普通人和高手对于这个问题的回答吧。

普通人:

嗯… volatile可以保证可见性。

高手:

volatile关键字有两个作用。

  1. 可以保证在多线程环境下共享变量的可见性。
  2. 通过增加内存屏障防止多个指令之间的重排序。

我理解的可见性,是指当某一个线程对共享变量的修改,其他线程可以立刻看到修改之后的值。

其实这个可见性问题,我认为本质上是由几个方面造成的。

  1. CPU层面的高速缓存,在CPU里面设计了三级缓存去解决CPU运算效率和内存IO效率问题,但是带来的就是缓存的一致性问题,而在多线程并行执行的情况下,缓存一致性就会导致可见性问题。

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    所以,对于增加了volatile关键字修饰的共享变量,JVM虚拟机会自动增加一个#Lock汇编指令,这个指令会根据CPU型号自动添加总线锁或/缓存锁

    我简单说一下这两种锁,

    • 总线锁是锁定了CPU的前端总线,从而导致在同一时刻只能有一个线程去和内存通信,这样就避免了多线程并发造成的可见性。
    • 缓存锁是对总线锁的优化,因为总线锁导致了CPU的使用效率大幅度下降,所以缓存锁只针对CPU三级缓存中的目标数据加锁,缓存锁是使用MESI缓存一致性来实现的。
  2. 指令重排序,所谓重排序,就是指令的编写顺序和执行顺序不一致,在多线程环境下导致可见性问题。指令重排序本质上是一种性能优化的手段,它来自于几个方面。

    • CPU层面,针对MESI协议的更进一步优化去提升CPU的利用率,引入了StoreBuffer机制,而这一种优化机制会导致CPU的乱序执行。当然为了避免这样的问题,CPU提供了内存屏障指令,上层应用可以在合适的地方插入内存屏障来避免CPU指令重排序问题。
    • 编译器的优化,编译器在编译的过程中,在不改变单线程语义和程序正确性的前提下,对指令进行合理的重排序优化来提升性能。

    所以,如果对共享变量增加了volatile关键字,那么在编译器层面,就不会去触发编译器优化,同时再JVM里面,会插入内存屏障指令来避免重排序问题。

当然,除了volatile以外,从JDK5开始,JMM就使用了一种Happens-Before模型去描述多线程之间的内存可见性问题。

如果两个操作之间具备Happens-Before关系,那么意味着这两个操作具备可见性关系,不需要再额外去考虑增加volatile关键字来提供可见性保障。

以上就是我对这个问题的理解。

总结

在我看来,并发编程是每个程序员必须要掌握好的领域,它里面涵盖的设计思想、和并发问题的解决思路、以及作为一个并发工具,都是非常值得深度研究的。

我推荐大家去读一下《Java并发编程深度解析与原理实战》这本书,对Java并发这块的内容描述得很清晰。

好的,本期的普通人VS高手面试系列就到这里结束了,喜欢的朋友记得点赞和收藏。

另外,有任何技术上的问题,职业发展有关的问题,都可以私信我,我会在第一时间回复。

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    原文作者:跟着Mic学架构
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