1. 面试题一：谈谈 volatile 的使用及其原理

volatile 关键字是用来保证有序性和可见性的。

我们所写的代码，不一定是按照我们自己书写的顺序来执行的，编译器会做重排序，CPU 也会做重排序的，这样做是为了了减少流水线阻塞，提高 CPU 的执行效率。这就需要有一定的顺序和规则来保证，不然程序员自己写的代码都不不知道对不对了，所以有 happens-before 规则。

其中有条就是 volatile 变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作、有序性实现的是通过插入内存屏障来保证的。

被 volatile 修饰的共享变量量，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。

补充：内存屏障

从 CPU 层面来了解一下什么是内存屏障。

CPU 的乱序执行，本质还是 CPU 多核心、CPU 高速缓存。存在多个缓存的时候，就必须通过缓存一致性协议（MESI）来避免数据不一致的问题，而这个通讯的过程就可能导致乱序访问的问题，也就是运行时的内存乱序访问。

现在的 CPU 架构都提供了内存屏障功能，在 x86 的 CPU 中，实现了相应的内存屏障，写屏障（Store Barrier）、读屏障（Load Barrier）和全屏障（Full Barrier），主要的作用是：

防止指令之间的重排序；
保证数据的可见性。

volatile 的原理

在 JVM 底层 volatile 是采用「内存屏障」来实现的。当我们观察加入 volatile 关键字和没有加入 volatile 关键字时所生成的汇编代码会发现，加入 volatile 关键字时，会多出一个 lock 前缀指令，lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障，内存屏障会提供三个功能：

它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

会引发两件事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存；
这个写回内存的操作会使得在其他处理器缓存了该内存地址无效；

什么意思呢？意思就是说当一个共享变量被 volatile 修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值，这就保证了可见性。
在这里插入图片描述

2. 面试题二：volatile 为什么不能保证原子性

一个变量 i 被 volatile 修饰，两个线程想对这个变量修改，都对其进行自增操作也就是 i++，i++ 的过程可以分为三步，首先获取 i 的值，其次对 i 的值进行加1，最后将得到的新值写会到缓存中。

线程 A 首先得到了 i 的初始值100，但是还没来得及修改，就阻塞了，这时线程 B 开始了，它也得到了 i 的值，由于 i 的值未被修改，即使是被 volatile 修饰，主存的变量还没变化，那么线程 B 得到的值也是100，之后对其进行加 1 操作，得到101后，将新值写入到缓存中，再刷入主存中。根据可见性的原则，这个主存的值可以被其他线程可见。

问题来了，线程 A 已经读取到了 i 的值为100，也就是说读取的这个原子操作已经结束了，所以这个可见性来的有点晚，线程 A 阻塞结束后，继续将 100 这个值加 1，得到101，再将值写到缓存，最后刷入主存，所以即便是 volatile 具有可见性，也不能保证对它修饰的变量具有原子性。

测试案例：

/**
 * 实体类，观察num值的可见性，此时没有volatile
 */
class Volatile {
    // volatile int num = 0; 加上volatile关键字
    int num = 0;  // 不加volatile关键字
    public void addTo60() {
        this.num = 60;
    }
}

//测试类
public class test {

    public static void main(String[] args) {
        //测试可见性
        seeVolatileOk();
    }

    /**
     * aaa线程修改num值为60后，main线程拿到的num=0，死循环。说明线程之间共享变量不可见。
     */
    private static void seeVolatileOk() {
        Volatile v = new Volatile();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in ");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            v.addTo60();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t updated num value:" + v.num);

        }, "aaa").start();
        while (v.num==0){

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t mission is over,updated num value:" + v.num);
    }
}