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处理Java指令重排序的多线程环境下的方法是什么?

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。ublicclassD{staticIntegera;staticBooleanflag;publicstaticvoidwriter(){a=1;flag=true;}publicstaticvoidreader(){if(flag!=null&&flag){System.out.println(a);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。

      ublic 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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