写点什么

你知道 Java 是如何解决可见性和有序性问题的吗?

  • 2022 年 4 月 21 日
  • 本文字数:2074 字

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// 这里 x 会是多少呢?}}}


分析一下,为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢?我相信你一定想到了,变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强。怎么增强的呢?答案是一项 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则

如何理解 Happens-Before 呢?如果望文生义(很多网文也都爱按字面意思翻译成“先行发生”),那就南辕北辙了,Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面,它真正要表达的是:前面一个操作的结果对后续操作是可见的。 就像有心灵感应的两个人,虽然远隔千里,一个人心之所想,另一个人都看得到。Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。所以比较正式的说法是:Happens-Before 约束了编译器的优化行为,虽允许编译器优化,但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。


Happens-Before 规则应该是 Java 内存模型里面最晦涩的内容了,和程序员相关的规则一共有如下六项,都是关于可见性的。


恰好前面示例代码涉及到这六项规则中的前三项,为便于你理解,我也会分析上面的示例代码,来看看规则 1、2 和 3 到底该如何理解。至于其他三项,我也会结合其他例子作以说明。

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。这还是比较容易理解的,比如刚才那段示例代码,按照程序的顺序,第 6 行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第 7 行代码 “v = true;”,这就是规则 1 的内容,也比较符合单线程里面的思维:程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。


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?}}}

②volatile 变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。


这个就有点费解了,对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见,这怎么看都是禁用缓存的意思啊,貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊?如果单看这个规则,的确是这样,但是如果我们关联一下规则 3,就有点不一样的感觉了。

③传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B,且 B Happens-Before C,那么 A Happens-Before C。


我们将规则 3 的传递性应用到我们的例子中,会发生什么呢?可以看下面这幅图:



从图中,我们可以看到:


  1. “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ,这是规则 1 的内容;

  2. 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”。这意味着什么呢?


如果线程 B 读到了“v=true”,那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说,线程 B 能看到 “x == 42” ,有没有一种恍然大悟的感觉?这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强,这个增强意义重大,1.5 版本的并发工具包(java.util.concurrent)就是靠 volatile 语义来搞定可见性的,这个在后面的内容中会详细介绍。

④管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。


要理解这个规则,就首先要了解“管程指的是什么”。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。


管程中的锁在 Java 里是隐式实现的,例如下面的代码,在进入同步块之前,会自动加锁,而在代码块执行完会自动释放锁,加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。


synchronized (this) {// 此处自动加锁// x 是共享变量, 初始值 =10if (this. 《一线大厂 Java 面试题解析+后端开发学习笔记+最新架构讲解视频+实战项目源码讲义》开源 x < 12) {this.x = 12;}} // 此处自动解锁


所以结合规则 4——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

这条是关于线程启动的。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

写在最后

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