每日三个JAVA经典面试题(十八)

1.volatile 关键字的作用

在Java中，volatile关键字用于声明变量，以确保该变量的更新对所有线程都是可见的，即当一个线程修改了一个volatile变量的值，这个新值对于其他线程来说是立即得知的。volatile关键字有两个主要作用：

1. 保证内存可见性

在多线程环境中，为了提高性能，每个线程可能会将变量从主内存复制到CPU缓存中。如果一个线程修改了这个变量的值，而这个新值没有及时写回主内存中，那么其他线程可能就看不到这个修改。volatile关键字确保每次读取变量都从主内存中进行，每次修改变量后都会立即写回主内存，从而保证了变量修改的可见性。

2. 禁止指令重排序

在Java内存模型中，编译器和处理器可能会对指令进行重排序，以提高程序的执行效率。但是，这种重排序可能会破坏多线程程序的正确性。当变量被声明为volatile后，会向编译器和处理器发出一个信号，告诉它们对这个变量相关的读写操作不允许进行重排序。volatile变量的写操作总是发生在读操作之前（或之后，具体取决于内存模型的具体实现），这样可以保证在并发环境中按照程序员的意图执行。

使用场景

volatile关键字适用于满足以下条件的场景：

• 变量不依赖于当前值，或者能够确保只有单个线程更新变量的值。
• 变量状态的改变不需要与其他状态变量共同参与不变约束。

  注意事项

  • volatile不保证原子性。对volatile变量的操作（特别是复合操作，如volatileVar++）不是原子性的。如果需要原子性操作，应考虑使用java.util.concurrent.atomic包下的原子类。
  • volatile主要用于布尔标志或整数状态标志等简单状态的同步和通信，不适用于复杂状态的同步控制。

    总的来说，volatile关键字是Java并发编程中保证共享变量在多线程间可见性的一种轻量级方式，但它的使用需要谨慎，确保在适当的场景下才使用。

    2.既然 volatile 能够保证线程间的变量可见性，是不是就意味着基于 volatile 变量的运算就是并发安全的？

    虽然volatile关键字确实能够保证变量在多个线程间的可见性，但它并不保证基于volatile变量的运算是并发安全的。并发安全不仅仅关乎于可见性，还涉及到操作的原子性和有序性。

    原子性

    原子性是指一个操作是不可中断的，即使是在多线程同时执行的情况下，一个操作要么完全执行，要么完全不执行，不会停留在中间某个步骤。对于volatile变量的单独读写操作是原子性的（例如，读取、赋值），但复合操作（如递增volatileVar++，或者volatileVar = volatileVar + 1）不是原子性的。复合操作包括多步骤：读取变量的当前值、计算新值、写入新值。在这些步骤之间，其他线程可能会修改这个变量的值，导致出现竞争条件。

    
    （图片来源网络，侵删）

    示例

    考虑下面的示例，其中count被声明为volatile变量：

    public class Counter {
        private volatile int count = 0;
        public void increment() {
            count++;  // 这不是一个并发安全的操作
        }
    }
    

    虽然count是volatile的，但increment()方法中的count++操作包含读取count的当前值、增加1、写入新值三个步骤。如果多个线程同时执行increment()方法，就可能导致一些增加操作被覆盖，从而导致错误的结果。

    解决办法

    要使基于volatile变量的运算并发安全，可以采用以下方法之一：

    • 使用synchronized关键字同步方法或代码块，确保每次只有一个线程可以执行复合操作。
    • 使用java.util.concurrent.atomic包中提供的原子类（如AtomicInteger），这些类为多线程环境下的复合操作提供了原子性保证。

      结论

      volatile变量确保了变量更新后的可见性，但对于复合操作，仅仅使用volatile是不足以保证并发安全的。需要结合使用同步控制机制（如synchronized或原子类）来确保操作的原子性，进而实现并发安全。

      3.ThreadLocal 是什么？有哪些使用场景？

      ThreadLocal是Java提供的一个线程局部变量工具类，允许创建的变量只被同一个线程读写。换句话说，如果你在代码中创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都有自己独立初始化的变量副本，各个线程可以独立地改变自己的副本而不会影响到其他线程中的副本。

      工作原理

      ThreadLocal通过提供线程局部变量的副本，而不是所有线程共享一个变量，从而避免了线程之间的数据冲突。每个线程访问一个ThreadLocal变量时，实际上访问的是线程自己的局部变量。

      
      （图片来源网络，侵删）

      使用场景

      ThreadLocal适用于以下几种场景：

      1. 用户会话管理：在Web应用中，可以使用ThreadLocal来保存用户登录信息等，确保每个线程（通常对应一个用户会话）可以独立管理和访问自己的用户信息。
      2. 数据库连接管理：在多线程环境下管理数据库连接时，ThreadLocal可以确保每个线程拥有自己的数据库连接，避免多线程之间的数据库连接冲突。
      3. 事务管理：确保在同一线程内执行的所有数据库操作都在同一事务上下文中。
      4. 避免传递大量参数：当需要在多个方法之间传递相同的参数（尤其是当这些参数不应该被外部访问时），可以考虑使用ThreadLocal来避免这些参数的传递。
      5. 性能优化：在需要高性能的应用中，使用ThreadLocal可以减少同步的需求，因为每个线程访问的是自己独立的变量。

      示例代码

      使用ThreadLocal存储线程特定的数据：

      public class ThreadLocalExample {
          // 创建一个ThreadLocal变量
          private static final ThreadLocal threadLocalValue = ThreadLocal.withInitial(() -> 1);
          public static void main(String[] args) {
              // 线程1
              new Thread(() -> {
                  threadLocalValue.set(100);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocalValue.get());
              }, "Thread A").start();
              // 线程2
              new Thread(() -> {
                  threadLocalValue.set(200);
                  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + threadLocalValue.get());
                  // 移除当前线程的threadLocalValue值
                  threadLocalValue.remove();
              }, "Thread B").start();
          }
      }
      

      注意事项

      虽然ThreadLocal非常有用，但使用不当可能会导致内存泄露。因为ThreadLocal变量的生命周期是跟线程一样长的，如果线程不终止，那么这些ThreadLocal变量会一直存在，甚至可能导致其所引用的对象无法被垃圾回收。为了避免这种情况，建议在不再需要存储在ThreadLocal变量中的数据时调用ThreadLocal.remove()方法来清理资源。