首页 » 文章 » Java内存模型03:Java如何解决可见性和有序性问题

导致可见性的原因是缓存,导致有序性的原因是编译优化,那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化,但是这样问题虽然解决了,我们程序的性能可就堪忧了。合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。java 内存模型是个很复杂的规范,可以从不同的视角来解读,站在我们这些程序员的视角,本质上可以理解为,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。具体来说,这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字,以及六项 Happens-Before 规则,这也正是本期的重点内容

一。volatile使用---volatile 关键字并不是 Java 语言的特产,古老的 C 语言里也有,它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。,我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0,它表达的是:告诉编译器,对这个变量的读写,不能使用 CPU 缓存,必须从内存中读取或者写入。这个语义看上去相当明确,但是在实际使用的时候却会带来困惑。

如下面的代码:直觉上看,应该是 42,那实际应该是多少呢?这个要看 Java 的版本,如果在低于 1.5 版本上运行,x 可能是 42,也有可能是 0;如果在 1.5 以上的版本上运行,x 就是等于 42。

// 以下代码来源于【参考 1】
class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里 x 会是多少呢?
    }
  }
}

Happens-Before 六规则,happends before 可以理解为:前面一个操作的结果对后续操作是可见的

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
2.volatile 变量规则(java 1.5之后),指对一个 volatile 变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作
3.传递性: 如果 A Happens-Before B,且 B Happens-Before C,那么 A Happens-Before C。

分析: “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ,这是规则 1 的内容;
写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”,这是规则 2 的内容 。
再根据这个传递性规则,我们得到结果:“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。

  1. 管程中锁的规则---指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

管程是一种通用的同步原语,在 Java 中指的就是 synchronized,synchronized 是 Java 里对管程的实现。

synchronized (this) { // 此处自动加锁
  // x 是共享变量, 初始值 =10
  if (this.x < 12) {
    this.x = 12; 
  }  
} // 此处自动解锁

管程中锁的规则,可以这样理解:假设 x 的初始值是 10,线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12(执行完自动释放锁),线程 B 进入代码块时,能够看到线程 A 对 x 的写操作,也就是线程 B 能够看到 x==12。这个也是符合我们直觉的,应该不难理解。

5.线程 start() 规则:它是指主线程 A 启动子线程 B 后,子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。

换句话说就是,如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法(即在线程 A 中启动线程 B),那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{
  // 主线程调用 B.start() 之前
  // 所有对共享变量的修改,此处皆可见
  // 此例中,var==77
});
// 此处对共享变量 var 修改
var = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();
  1. 线程 join() 规则----这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成(主线程 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 A 中 join() 方法返回),主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”,指的是对共享变量的操作。

换句话说就是,如果在线程 A 中,调用线程 B 的 join() 并成功返回,那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{
  // 此处对共享变量 var 修改
  var = 66;
});
// 例如此处对共享变量修改,
// 则这个修改结果对线程 B 可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
// 此例中,var==66

最后说下final---volatile 为的是禁用缓存以及编译优化,我们再从另外一个方面来看,有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢?这个可以有,就是final 关键字。
final 修饰变量时,初衷是告诉编译器:这个变量生而不变,可以可劲儿优化。这也是函数式编程快的原因,不受各种happens before约束

Java 编译器在 1.5 以前的版本的确优化得很努力,以至于都优化错了。

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