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Java指令重排在多线程环境下怎么解决

一、序言指令重排在单线程环境下有利于提高程序的执行效率,不会对程序产生负面影响;在多线程环境下,指令重排会给程序带来意想不到的错误。二、问题复原(一)关联变量下面给出一个能够百分之百复原指令重排的例子。publicclassD{staticIntegera;staticBooleanflag;publicstaticvoidwriter(){a=1;flag=true;}publicstaticvoidreader(){if(flag!=null&&flag){System.out.println(a);

本文目录

    一、序言

    指令重排在单线程环境下有利于提高程序的执行效率,不会对程序产生负面影响;在多线程环境下,指令重排会给程序带来意想不到的错误。

    二、问题复原

    (一)关联变量

    下面给出一个能够百分之百复原指令重排的例子。

    public class D {
        static Integer a;
        static Boolean flag;
        
        public static void writer() {
            a = 1;
            flag = true;
        }
        
        public static void reader() {
            if (flag != null && flag) {
                System.out.println(a);
                a = 0;
                flag = false;
            }
        }
    }
    1、结果预测

    reader方法仅在flag变量为true时向控制台打印变量a的值。

    writer方法先执行变量a的赋值操作,后执行变量flag的赋值操作。

    如果按照上述分析逻辑,那么控制台打印的结果一定全为1。

    2、指令重排

    假如代码未发生指令重排,那么当flag变量为true时,变量a一定为1。

    上述代码中关于变量a和变量flag在两个方法类均存在指令重排的情况。

    public static void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }

    通过观察日志输出,发现有大量的0输出。

    当writer方法内部发生指令重排时,flag变量先完成赋值,此时假如当前线程发生中断,其它线程在调用reader方法,检测到flag变量为true,那么便打印变量a的值。此时控制台存在超出期望值的结果。

    (二)new创建对象

    使用关键字new创建对象时,因其非原子操作,故存在指令重排,指令重排在多线程环境下会带来负面影响。

    public class Singleton {
        private static UserModel instance;
        
        public static UserModel getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new UserModel(2, "B");
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
    
    @Data
    @AllArgsConstructor
    class UserModel {
        private Integer userId;
        private String userName;
    }
    1、解析创建过程
    • 使用关键字new创建一个对象,大致分为一下过程:

    • 在栈空间创建引用地址

    • 以类文件为模版在堆空间对象分配内存

    • 成员变量初始化

    • 使用构造函数初始化

    • 将引用值赋值给左侧存储变量

    2、重排序过程分析

    针对上述示例,假设第一个线程进入synchronized代码块,并开始创建对象,由于重排序存在,正常的创建对象过程被打乱,可能会出现在栈空间创建引用地址后,将引用值赋值给左侧存储变量,随后因CPU调度时间片耗尽而产生中断的情况。

    后续线程在检测到instance变量不为空,则直接使用。因为单例对象并为实例化完成,直接使用会带来意想不到的结果。

    三、应对指令重排

    (一)AtomicReference原子类

    使用原子类将一组相关联的变量封装成一个对象,利用原子操作的特性,有效回避指令重排问题。

    @Data
    @NoArgsConstructor
    @AllArgsConstructor
    public class ValueModel {
        private Integer value;
        private Boolean flag;
    }

    原子类应该是解决多线程环境下指令重排的首选方案,不仅通俗易懂,而且线程间使用的非重量级互斥锁,效率相对较高。

    public class E {
        private static final AtomicReference ar = new AtomicReference<>(new ValueModel());
        
        public static void writer() {
            ar.set(new ValueModel(1, true));
        }
        
        public static void reader() {
            ValueModel valueModel = ar.get();
            if (valueModel.getFlag() != null && valueModel.getFlag()) {
                System.out.println(valueModel.getValue());
                ar.set(new ValueModel(0, false));
            }
        }
    }

    当一组相关联的变量发生指令重排时,使用原子操作类是比较优的解法。

    (二)volatile关键字

    public class Singleton {
        private volatile static UserModel instance;
        
        public static UserModel getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new UserModel(2, "B");
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
    
    @Data
    @AllArgsConstructor
    class UserModel {
        private Integer userId;
        private String userName;
    }

    四、指令重排的理解

    1、指令重排广泛存在

    指令重排不仅限于Java程序,实际上各种编译器均有指令重排的操作,从软件到CPU硬件都有。指令重排是对单线程执行的程序的一种性能优化,需要明确的是,指令重排在单线程环境下,不会改变顺序程序执行的预期结果。

    2、多线程环境指令重排

    上面讨论了两种典型多线程环境下指令重排,分析其带来负面影响,并分别提供了应对方式。

    • 对于关联变量,先封装成一个对象,然后使用原子类来操作

    • 对于new对象,使用volatile关键字修饰目标对象即可

    3、synchronized锁与重排序无关

    synchronized锁通过互斥锁,有序的保证线程访问特定的代码块。代码块内部的代码正常按照编译器执行的策略重排序。

    尽管synchronized锁能够回避多线程环境下重排序带来的不利影响,但是互斥锁带来的线程开销相对较大,不推荐使用。

    synchronized 块里的非原子操作依旧可能发生指令重排

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