三面阿里竟然败在了volatile关键字上

编码之外

共 3436字,需浏览 7分钟

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2020-11-18 13:45

今天闲来无事跟同事 大帆 闲聊,

SoWhat:麦叔听说你偷偷面阿里啦,面的咋样?


大帆:一面挺简单的,主要问了一些基本的数据结构跟算法,还问了下  HashMap的十大常见基本问题。我都答案上来了,还问了我JDK7环,幸亏你那个 HashMap环 绘制的牛逼,我答的不错就让我准备二面了。


SoWhat:二面类?


大帆:二面问了我一些JVM的问题,问我对于JVM内存模型的理解,还有GC的常见理解,最终还问了我下类加载机制,我看你之前水过这个 JVM系列,就依葫芦画瓢答上来了,让我准备三面。


SoWhat:大帆这波可以啊,三面问的啥啊?


大帆:三面问了我一些CAS、Lock、AQS跟 ConcurrentHashMap 的底层实现什么的,还问了我下 线程池 的七大参数跟四大拒绝策略,以及使用注意事项。我看你水过 并发编程系列,也就答上来了。


Sowhat:厉害啊这是要过的节奏阿!


大帆:过个锤子,三面的这个总监最后竟然问了我下我对volatile的底层原理。你妹的你么水,我就答了一些基本的可见性跟弱原子性,然后我感觉面试官不太满意啊!


Sowhat:额好吧,那我抓紧再水文写下个关于volatile的使用。





使用

volatile变量自身具有下列特性相信大家都知道:

  1. 可见性。对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。
  2. 原子性:对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

其中第二点可以理解为把对 volatile 变量的单个读/写,看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步,就跟下面的SoWhatSynSoWhat功能类似哦。

class SoWhat{
    volatile int i = 0// volatile修饰的变量
    public int getI(){
        return i;// 单个volatile变量的读
    }
    public  void setI(int j){
        this.i = j; // 单个volatile 变量的写
    }
    public void inc(){
        i++;//复合多个volatile 变量
    }
}
class SynSoWhat{
     int i = 0;
    public synchronized int getI(){
        return i;
    }
    public  synchronized void setI(int j){
        this.i = j;
    }
    public void inc()// 普通方法调用
        int tmp = getI(); // 调用已同步方法
        tmp = tmp + 1;//普通写方法
        setI(tmp);// 调用已同步方法
    }
}

写理解

volatile写的内存语义如下:

当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地中的共享变量值刷新到主内存。

public class VolaSemanteme {
 int a = 0;
 volatile boolean flag = false// 这是重点哦
 public void init() {
  a = 1
  flag = true
  //.......
 }
 public void use() {
  if (flag) { 
   int i = a * a; 
  }
  //.......
 }
}

线程A调用init方法,线程B调用use方法。

读理解

volatile读的内存语义如下:

当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

public class VolaSemanteme {
 int a = 0;
 volatile boolean flag = false// 这是重点哦
 public void init() {
  a = 1
  flag = true
  //.......
 }
 public void use() {
  if (flag) { 
   int i = a * a; 
  }
  //.......
 }
}

流程图大致是这样的:

volatile 指令重排

volatile 变量的内存可见性是基于内存屏障(Memory Barrier)实现。关于内存屏障的具体讲解以前写过不再重复,JMM装逼于无形这里说过。总结来说就是JMM内部会有指令重排,并且会有af-if-serialhappen-before的理念来保证指令重拍的正确性。内存屏障就是基于4个汇编级别的关键字来禁止指令重排的,其中volatile的重拍规则如下:

  1. 第一个为读操作时,第二个任何操作不可重排序到第一个前面。
  2. 第二个为写操作时,第一个任何操作不可重排序到第二个后面。
  3. 第一个为写操作时,第二个的读写操作也不运行重排序。


volatile写底层实现

JMM对volatile的内存屏障插入策略

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

在这里插入图片描述

volatile 读底层

JMM对volatile的内存屏障插入策略

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

在这里插入图片描述

其中重点说下volatile读后面为什么跟了个LoadLoad。加入我有如下代码 AB两个线程执行,B线程的flag获取下面的读被提前了。

volatile的实现原理

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会使用CPU提供的Lock前缀指令。在CPU级别的功能如下:

  1. 将当前处理器缓存行的数据写回到「系统内存」
  2. 这个写回内存的操作会告知在其他CPU你们拿到的变量是无效的下一次使用时候要重新共享内存拿。

我们可以通过jitwatch对简单的代码进行详细的反汇编看一下。

package com.sowhat.demo;

public class VolaSemanteme {
    int unvloatileVal = 0;
    volatile boolean flag = false;

    public void init() {
        unvloatileVal = 1;
        flag = true// 第九行哦
    }
    public void use() {

        if (flag) {
            int LocalA = unvloatileVal;
            if (LocalA == 0) {
                throw new RuntimeException("error");
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        VolaSemanteme volaSemanteme = new VolaSemanteme();
        volaSemanteme.init();
        volaSemanteme.use();
    }
}

对普通变量的赋值操作:volatile变量的赋值操作。可以对比得出,volatile 修饰的变量确实会多一个 lock addl $0x0,(%rsp) 指令。

0x0000000114ce95cb: lock addl $0x0,(%rsp)  ;*putfield flag
  ; - com.sowhat.demo.VolaSemanteme::init@7 (line 9)
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