Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

Java并发编程系列:02Java如何解决可见性和有序性问题

摘要

在上一篇文章Java并发编程实战 01并发Bug的源头当中,讲到了CPU缓存导致可见性、线程切换导致了原子性、编译优化导致了有序性问题。那么这篇文章就先解决其中的可见性和有序性问题,引出了今天的主角:Java内存模型(面试并发的时候会经常考核到)

什么是Java内存模型?

现在知道了CPU缓存导致可见性、编译优化导致了有序性问题,那么最简单的方式就是直接禁用CPU缓存和编译优化。但是这样做我们的性能可就要爆炸了~。我们应该按需禁用。
Java内存模型是有一个很复杂的规范,但是站在程序员的角度上可以理解为:Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法
具体包括 volatile、synchronized、final三个关键字,以及六项Happens-Before规则。

volatile关键字

volatile有禁用CPU缓存的意思,禁用CPU缓存那么操作数据变量时直接是直接从内存中读取和写入。如:使用volatile声明变量 volatile boolean v = false,那么操作变量v时则必须从内存中读取或写入,但是在低于Java版本1.5以前,可能会有问题。
在下面这段代码当中,假设线程A执行了write方法,线程B执行了reader方法,假设线程B判断到了this.v == true进入到了判断条件中,那么此时的x会是多少呢?

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public class VolatileExample {
private int x = 0;
private volatile boolean v = false;

public void write() {
this.x = 666;
this.v = true;
}

public void reader() {
if (this.v == true) {
// 这里的x会是多少呢?
}
}
}

在1.5版本之前,该值可能为666,也可能为0;因为变量x并没有禁用缓存(volatile),但是在1.5版本以后,该值一定为666;因为Happens-Before规则

什么是Happens-Before规则

Happens-Before规则要表达的是:前面一个操作的结果对后续是可见的。如果第一次接触该规则,可能会有一些困惑,但是多去阅读几遍,就会加深理解。

1.程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中,按照程序顺序,前面的操作Happens-Before于后续的任意操作(意思就是前面的操作结果对于后续任意操作都是可以看到的)。就如上面的那段代码,按照程序的顺序:this.x = 666 Happens-Before于 this.v = true

2.Volatile 变量规则

这条规则指的是对一个Volatile变量的写操作,Happens-Before该变量的读操作。意思也就是:假设该变量被线程A写入后,那么该变量对于任何线程都是可见的。也就是禁用了CPU缓存的意思,如果是这样的话,那么和1.5版本以前没什么区别啊!那么如果再看一下规则3,就不同了。

3.传递性

这条规则指的是:如果 A Happens-Before 于B,且 B Happens-Before 于 C。那么 A Happens-Before 于 C。这就是传递性的规则。我们再来看看刚才那段代码(我复制下来方便看)

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public class VolatileExample {
private int x = 0;
private volatile boolean v = false;

public void write() {
this.x = 666;
this.v = true;
}

public void reader() {
if (this.v == true) {
// 读取变量x
}
}
}

在上面代码,我们可以看到,this.x = 666 Happens-Before this.v = truethis.v = true Happens-Before 读取变量x,根据传递性规则this.x = 666 Happens-Befote 读取变量x,那么说明了读取到变量this.v = true时,那么此时的读取变量x的指必定为666
假设线程A执行了write方法,线程B执行reader方法且此时的this.v == true,那么根据刚才所说的传递性规则,读取到的变量x必定为666。这就是1.5版本对volatile语义的增强。而如果在版本1.5之前,因为变量x并没有禁用缓存(volatile),所以变量x可能为0哦。

image.png

4.管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁操作 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁操作。管程是一种通用的同步原语,在Java中,synchronized是Java里对管程的实现。
管程中的锁在Java里是隐式实现的。如下面的代码,在进入同步代码块前,会自动加锁,而在代码块执行完后会自动解锁。这里的加锁和解锁都是编译器帮我们实现的。

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synchronized(this) { // 此处自动加锁
// x是共享变量,初始值 = 0
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} // 此处自动解锁

结合管程中的锁规则,假设x的初始值为0,线程A执行完代码块后值会变成12,那么当线程A解锁后,线程B获取到锁进入到代码块后,就能看到线程A的执行结果x = 12。这就是管程中锁的规则

5.线程的start()规则

这条规则是关于线程启动的,该规则指的是主线程A启动子线程B后,子线程B能够看到主线程启动子线程B前的操作。
用HappensBefore解释:线程A调用线程B的start方法 Happens-Before 线程B中的任意操作。参考代码如下:

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int x = 0;
public void start() {
Thread thread = new Thread(() -> {
System.out.println(this.x);
});

this.x = 666;
// 主线程启动子线程
thread.start();
}

此时在子线程中打印的变量x值为666,你也可以尝试一下。

6.线程join()规则

这条规则是关于线程等待的,该规则指的是主线程A等待子线程B完成(主线A通过调用子线程B的join()方法实现),当子线程B完成后,主线程能够看到子线程的操作,这里的看到指的是共享变量 的操作,用Happens-Before解释:如果在线程A中调用了子线程B的join()方法并成功返回,那么子线程B的任意操作 Happens-Before 于主线程调用子线程Bjoin()方法的后续操作。看代码比较容易理解,示例代码如下:

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int x = 0;
public void start() {
Thread thread = new Thread(() -> {
this.x = 666;
});
// 主线程启动子线程
thread.start();
// 主线程调用子线程的join方法进行等待
thread.join();
// 此时的共享变量 x == 666
}

被忽略的final

在1.5版本之前,除了值不可改变以外,final字段其实和普通的字段一样。
在1.5以后的Java内存模型中,对final类型变量重排进行了约束。现在只要我们的提供正确的构造函数没有逸出,那么在构造函数初始化的final字段的最新值,必定可以被其他线程所看到。代码如下:

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class FinalFieldExample {
final int x;
int y;
static FinalFieldExample f;
public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
}

static void writer() {
f = new FinalFieldExample();
}

static void reader() {
if (f != null) {
int i = f.x;
int j = f.y;
}
}

当线程执行reader()方法,并且f != null时,那么此时的final字段修饰的f.x 必定为 3,但是y不能保证为4,因为它不是final的。如果这是在1.5版本之前,那么f.x也是不能保证为3
那么何为逸出呢?我们修改一下构造函数:

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public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
// 此处为逸出
f = this;
}

这里就不能保证 f.x == 3了,就算x变量是用final修饰的,为什么呢?因为在构造函数中可能会发生指令重排,执行变成下面这样:
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 // 此处为逸出
f = this;
x = 3;
y = 4;

那么此时的f.x == 0。所以在构造函数中没有逸出,那么final修饰的字段没有问题。详情的案例可以参考这个文档

总结

在这篇文章当中,我一开始对于文章最后部分的final约束重排一直看的不懂。网上不断地搜索资料和看文章当中提供的资料我才慢慢看懂,反复看了不下十遍。可能脑子不太灵活吧。
该文章主要的核心内容就是Happens-Before规则,把这几条规则搞懂了就ok。

参考文章:极客时间:Java并发编程实战 02

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http://example.com/2020/04/20/java/Java%E5%B9%B6%E5%8F%91-2/

作者

Johnson木木

发布于

2020-04-20

更新于

2020-09-10

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