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volatile是java中熱門關(guān)鍵字，也是面試中的高頻問點，今天就來深入的從各種volatile面試題中剖析它的底層原理實現(xiàn)，并通過簡單的代碼去證明。

在深入volatile之前，我們先從原理入手，然后層層深入，逐步剖析它的底層原理，使用過volatile關(guān)鍵字的程序員都知道，在多線程并發(fā)場景中volitile能夠保障共享變量的可見性。

那么問題來了，什么是可見性呢？volatile是怎么保障共享變量的可見性的呢？

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在說可見性之前，我們先來了解在多線程的條件下，線程與線程之間是怎么通信的，我們先來看看一張圖：

在Java線程中每次的讀取和寫入不會直接操作主內(nèi)存，因為cpu的速度遠(yuǎn)快于主內(nèi)存的速度，若是直接操作主內(nèi)存，大大限制了cpu的性能，對性能有很大的影響，所以每條線程都有各自的工作內(nèi)存。

這里的工作內(nèi)存類似于緩存，并非實際存在的，因為緩存的讀取和寫入的速度遠(yuǎn)大于主內(nèi)存，這樣就大大提高了cpu與數(shù)據(jù)交互的性能。

所有的共享變量都是直接存儲于主內(nèi)存中，工作內(nèi)存保存線程在使用主內(nèi)存共享變量的副本，當(dāng)操作完工作內(nèi)存的變量，會寫入主內(nèi)存，完成對共享變量的讀取和寫入。

在單線程時代，不存在數(shù)據(jù)一致性的的問題，線程都是排隊的順序執(zhí)行，前面的線程執(zhí)行完才會到后面的線程執(zhí)行。

隨著計算機(jī)的發(fā)展，到了多核多線程的時代，緩存的出現(xiàn)雖然提升了cpu的執(zhí)行效率，但是卻出現(xiàn)了緩存一致性的問題，為了解決數(shù)據(jù)的一致性問題，提出兩種解決方案：

總線上加Lock#鎖：該方法簡單粗暴，在總線上加鎖，其它cpu的線程只能排隊等候，效率低下。

緩存一致性協(xié)議：該方案是JMM中提出的解決方案，通過對變量地址加鎖，減小鎖的粒度，執(zhí)行變得更加高效。

為了提高程序的執(zhí)行效率，設(shè)計者們提出了底層對編譯器和執(zhí)行器（處理器）的優(yōu)化方案，分別是編譯器和處理器的重排序

那么什么是編譯器重排序和處理器啊重排序呢？

編譯器重排序就是在不改變單線程的語義的前提下，可以重新排列語句的執(zhí)行順序。

處理器排序是在機(jī)器指令的層面，假如不存在數(shù)據(jù)依賴，處理器可以改變機(jī)器指令的執(zhí)行順序，為了提高程序的執(zhí)行效率，在多線程中假如兩行的代碼存在數(shù)據(jù)依賴，將會被禁止重排序。

不管是編譯器重排序和處理器的重排序，前提條件都不能改變單線程語義的前提下進(jìn)行重排序，說白了就是最后的執(zhí)行結(jié)果要準(zhǔn)確無誤。

學(xué)過大學(xué)的計算機(jī)基礎(chǔ)課都知道，我們的程序用高級語言寫完后是不能被各大平臺的機(jī)器所執(zhí)行的，需要執(zhí)行編譯，然后將編譯后的字節(jié)碼文件處理成機(jī)器指令，才能被計算機(jī)執(zhí)行。

從java源代碼到最終的機(jī)器執(zhí)行指令，分別會經(jīng)過下面三種重排序：

在這里插入圖片描述
前面說到了數(shù)據(jù)依賴的特性，什么是數(shù)據(jù)依賴呢？

數(shù)據(jù)依賴就是假設(shè)一句代碼中對一個變量a++自增，然后后一句代碼b=a將a的值賦值給b，便表示這兩句代碼存在數(shù)據(jù)依賴，兩句代碼執(zhí)行順序不能互換。

前面提到編譯器和處理器的重排序，在編譯器和處理器進(jìn)行重排序的時候，就會遵守數(shù)據(jù)的依賴性，編譯器和處理器就會禁止存在數(shù)據(jù)依賴的兩個操作進(jìn)行重排序，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在JDK5開始，為了保證程序的有序性，便提出了happen-before原則，假如兩個操作符合該原則，那么這兩個操作可以隨意的進(jìn)行重排序，并不會影響結(jié)果的正確性。

具體happen-before原則有6條，具體原則如下所示：

同一個線程中前面的操作先于后續(xù)的操作（但是這個并不是絕對的，假如在單線程的環(huán)境下，重排序后不會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，是可以進(jìn)行重排序，不按代碼的順序執(zhí)行）。

Synchronized 規(guī)則中解鎖操作先于后續(xù)的加鎖操作。

volatile 規(guī)則中寫操作先于后續(xù)的讀取操作，保證數(shù)據(jù)的可見性。

一個線程的start()方法先于任何該線程的所有后續(xù)操作。

線程的所有操作先于其他該線程在該線程上調(diào)用join返回成功的操作。

如果操作a先于操作b，操作b先于操作c，那么操作a先于操作c,傳遞性原理。

我們來看重點第三條，也就是我們今天所了解的重點volatile關(guān)鍵字，為了實現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，規(guī)定有volatile修飾的共享變量在機(jī)器指令層面會出出現(xiàn)Lock前綴的指令。

我們來看看一個例子經(jīng)典的例子，具體的代碼如下：

public?class?TestVolatile?extends?Thread?{private?static?boolean?flag?=?false;public?void?run()?{while?(!flag)?;System.out.println("run方法退出了")}public?static?void?main(String[]?args)?throws?Exception?{new?TestVolatile().start();Thread.sleep(5000);flag?=?true;} }

看上面的代碼執(zhí)行run方法能執(zhí)行退出嗎？是不能的，因為對于這兩個線程來說，首先new TestVolatile().start()線程拿到flag共享變量的值為false，并存儲在于自己的工作內(nèi)存中。

第一個線程到while循環(huán)中，就直接進(jìn)入死循環(huán)，即使主線程讀取flag的值，然后改變該值為true。

但是對于第一個線程來說并不知道，flag的值已經(jīng)被修改，在第一個線程的工作內(nèi)存中flag仍然為false。具體的執(zhí)行原理圖如下：

這樣對于共享變量flag，主線程修改后，對于線程1來說是不可見的，然后我們加上volatile變量修飾該變量，修改代碼如下：?private?static?volatile?boolean?flag?=?false;

輸出的結(jié)果中，就會輸出run方法退出了，具體的原理假如一個共享變量被Volatile修飾，該指令在多核處理器下會引發(fā)兩件事情。

將當(dāng)前處理器緩存行數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存中。

這個寫入的操作會讓其它處理器中已經(jīng)緩存了該變量的內(nèi)存地址失效，當(dāng)其它處理器需求再次使用該變量時，必須從主內(nèi)存中重新讀取該值。

讓我們具體從idea的輸出的匯編指令中可以看出，我們看到紅色線框里面的那行指令：putstatic flag ，將靜態(tài)變量flag入棧，注意觀察add指令前面有一個lock前綴指令。

注意：讓idea輸出程序的匯編指令，在啟動程序的時候，可以加上
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly作為啟動參數(shù)，就可以查看匯編指令。

簡單的說被volatile修飾的共享變量，在lock指令后是一個原子操作，該原子操作不會被其它線程的調(diào)度機(jī)制打斷，該原子操作一旦執(zhí)行就會運行到結(jié)束，中間不會切換到任意一個線程。

當(dāng)使用lock前綴的機(jī)器指令，它會向cpu發(fā)送一個LOCK#信號，這樣能保證在多核多線程的情況下互斥的使用該共享變量的內(nèi)存地址。直到執(zhí)行完畢，該鎖定才會消失。

volatile的底層就是通過內(nèi)存屏障來實現(xiàn)的，lock前綴指令就相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障。

那么什么又是內(nèi)存屏障呢？

內(nèi)存屏障是一組CPU指令，為了提高程序的運行效率，編譯器和處理器運行對指令進(jìn)行重排序，JMM為了保證程序運行結(jié)果的準(zhǔn)確性，規(guī)定存在數(shù)據(jù)依賴的機(jī)器指令禁止重排序。

通過插入特定類型的內(nèi)存屏障（例如lock前綴指令）來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，插入一條內(nèi)存屏障會告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。

所以為了保證每個cpu的數(shù)據(jù)一致性，每一個cpu會通過嗅探總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己數(shù)據(jù)的有效性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)自己緩存的數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址被修改，就會讓自己緩存該數(shù)據(jù)的緩存行失效，重新獲取數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的可見性。

那么既然volatile可以保證可見性，它可以保證數(shù)據(jù)的原子性嗎？

什么是原子性呢？原子性就是即不可再分了，不能分為多步操作。在Java中只有對基本類型變量的賦值和讀取才是原子操作。

如i = 1，但是像j = i或者i++都不是原子操作，因為他們都進(jìn)行了多次原子操作，比如先讀取i的值，再將i的值賦值給j，兩個原子操作加起來就不是原子操作了。

所以假如一個volatile的integer自增（i++），其實要分成3步：

讀取主內(nèi)存中volatile變量值到工作內(nèi)存；

在工作內(nèi)存中增加變量的值；

把工作內(nèi)存的值寫主內(nèi)存。

假如有兩個線程都要執(zhí)行a變量的自增操作，當(dāng)線程1執(zhí)行a++;語句時，先是讀入a的值為0，此時a線程的執(zhí)行時間被讓出。

線程2獲得執(zhí)行，線程2會重新從主內(nèi)存中，讀入a的值還是0，然后線程2執(zhí)行+1操作，最后把a(bǔ)=1刷新到主內(nèi)存中；

線程2執(zhí)行完后，線程1又開始執(zhí)行，但之前已經(jīng)讀取的a的值0，因為前面的讀取原子操作已經(jīng)結(jié)束了，所以它還是在0的基礎(chǔ)上執(zhí)行+1操作，也就是還是等于1，并刷新到主內(nèi)存中。所以最終的結(jié)果是a變量的值為1

最后，再附上我歷時三個月總結(jié)的?Java 面試 + Java 后端技術(shù)學(xué)習(xí)指南，這是本人這幾年及春招的總結(jié)，目前，已經(jīng)拿到了大廠offer，拿去不謝！

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的面试造飞机系列：volatile面试的连环追击，你还好吗？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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