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面试10000次依然会问的【volatile】,你还不会?

时间:2023-11-02 21:00:39浏览次数:70  
标签:线程 10000 变量 synchronized 面试 volatile 内存 操作

面试10000次依然会问的【volatile】,你还不会?_同步机制

volatile关键字的定义

volatile是Java语言提供的一种轻量级的同步机制,主要用于「确保变量的修改对其他线程是立即可见的」,以及「防止指令重排序」。使用volatile修饰的变量,其读写操作直接作用于主存,而不是线程的工作内存。

这意味着一旦一个线程修改了volatile变量的值,其他线程立即就能看到这个修改。

volatile变量的内存语义主要体现在「两方面」

一是确保变量修改的可见性

二是禁止对其进行指令重排序。

虽然volatile可以保证内存可见性和禁止指令重排序,但它不能保证复合操作的原子性。

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volatile的内存语义

volatile关键字在Java中提供了一种轻量级的同步机制,主要体现在内存可见性和禁止指令重排序这两方面。

当一个变量被声明为volatile后,「对这个变量的写操作会立即刷新到主存」,而读操作会直接从主存中进行,这确保了不同线程间对该变量操作的可见性。此外,volatile变量的读写操作前后都会插入内存屏障,防止指令重排序,确保代码执行的顺序符合程序员的预期。

在底层实现上,volatile变量的读写操作通常会生成带有「lock前缀」的指令,这些指令会锁定被操作变量对应的缓存行,并将其写回到主存,同时使其他处理器的缓存行无效,从而保证了不同处理器间对volatile变量操作的可见性和有序性。

volatile与Java内存模型

在Java中,volatile是一个关键字,用于确保变量的修改对所有线程立即可见,从而避免了数据脏读的现象。当一个变量被声明为volatile时,Java内存模型(Java Memory Model, JMM)确保所有线程对这个变量的读写都是直接操作主内存,而不是工作内存。这意味着线程对volatile变量的修改会立即被其他线程所感知,确保了数据的“可见性”。

volatile提供了一种轻量级的同步机制,相比于synchronized,它不会引起线程的阻塞。但是,volatile并不适用于所有情况,特别是在涉及到复合操作时,仍然需要使用synchronized来保证线程安全。例如,在执行自增操作时,即使变量被声明为volatile,操作也不是原子的,仍然需要额外的同步措施来保证线程安全。

在使用volatile时,还需要注意其对指令重排序的影响。volatile变量的读写操作不会被重排序,这保证了代码的执行顺序符合预期,避免了潜在的并发问题。

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volatile的使用场景

在多线程环境下,为了保证线程安全和数据的实时可见性,我们可以使用 volatile 关键字。volatile 关键字能够确保变量的修改对其他线程立即可见,从而避免了数据脏读的问题。这是因为被 volatile 修饰的变量,当一条线程修改了这个变量的值,新值对其他线程来说是立即可见的,JVM 会立即将这个变量的值刷新到主内存中,当其他线程需要读取这个变量时,会直接从主内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点,普通变量的值可能会被缓存在线程的工作内存中,导致其他线程读到的是旧值。

以下是一些 volatile 的使用场景:

  1. 「状态标记」:可以使用 volatile 关键字来标记一个变量的状态,例如是否停止线程。当一个线程修改了这个状态时,其他线程能够立即看到这个改变,并作出相应的响应。
volatile boolean flag = false;
public void writeFlag() {
    flag = true; // 写操作,立即刷新到主存
}
public void readFlag() {
    if (flag) {
        // 读操作,直接从主存中读取flag的最新值
        // 执行相关操作
    }
}
  1. 「单例模式的实现 - 双重检查锁定(DCL)」
class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

在这个例子中,instance 变量被声明为 volatile,确保当一个线程创建单例实例时,其他所有线程都能看到这个新创建的实例。

请注意,虽然 volatile 可以保证单个变量读/写的原子性,但复合操作(如自增、检查后行动等)仍然需要额外的同步措施。

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volatile与synchronized的比较

在Java中,volatilesynchronized都是用于多线程编程的关键字,但它们在功能和使用上有着明显的区别。

volatile是一种轻量级的同步机制,它主要用于确保变量的修改对其他线程是立即可见的,以及防止指令重排序。使用volatile修饰的变量,其读写操作直接作用于主存,而不是线程的工作内存。这意味着一旦一个线程修改了volatile变量的值,其他线程立即就能看到这个修改。然而,volatile不能保证复合操作的原子性。例如,volatile变量的自增操作就不是原子性的。

synchronized是一种重量级的同步机制,它不仅能保证变量的修改对其他线程的可见性,还能保证复合操作的原子性。当一个线程访问某对象的synchronized方法或代码块时,其他试图访问该对象的synchronized方法或代码块的线程将被阻塞。这提供了一种互斥的手段,确保同一时刻只有一个线程能执行某个方法或代码块,从而保证了线程安全。

虽然synchronized能够保证线程安全,但它也有性能开销,特别是在高并发的环境下。因此,在选择使用哪种同步机制时,需要根据具体的应用场景和需求来决定。如果对性能要求较高,且操作比较简单,可以优先考虑volatile。如果需要保证复合操作的原子性,或者需要一种更强的线程同步机制,应该使用synchronized

volatile的限制

在Java中,volatile关键字是一种轻量级的同步机制,用于确保变量的修改对其他线程立即可见,并防止指令重排序。然而,volatile并不是万能的,它也有一些限制和不适用的场景。

1.volatile不能保证复合操作的原子性。例如,对于自增操作i++,虽然你可以将i声明为volatile变量,但i++操作实际上包括三个步骤:读取i的值,将值加1,写回新值。这三个步骤不是原子性操作,其他线程可能在这三个操作之间执行,导致不正确的结果。

2.volatile不适用于变量之间有依赖关系的情况。如果一个变量的值依赖于另一个变量的值,或者变量的值需要根据某些条件来更新,仅仅使用volatile是不够的,你可能需要使用synchronized或者java.util.concurrent包下的原子类。

3.volatile也不能替代锁机制。锁不仅可以保证变量操作的原子性,还可以保证变量操作的有序性,并且提供了一种机制来实现线程间的协作。

总结

volatile是Java中的一个轻量级同步机制,主要用于确保变量的修改对所有线程立即可见,从而避免了数据脏读的现象。它通过直接操作主内存来实现变量的读写,确保了变量的可见性和有序性,但并不能保证复合操作的原子性。与synchronizedLock相比,volatile不会引起线程的阻塞,因此开销更小,适用于一些简单的同步场景,如状态标记、单例模式等。

虽然volatile提供了一种「轻量级的同步机制」,但它并不适用于所有情况,特别是在涉及到复合操作时,仍然需要使用synchronizedLock来保证线程安全。在使用volatile时,开发者需要仔细考虑其适用场景,并注意其使用的限制,以避免出现线程安全问题。

volatile是Java并发编程中的一个重要工具,但需要谨慎使用,并结合其他同步机制来保证线程安全。

标签:线程,10000,变量,synchronized,面试,volatile,内存,操作
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