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Java指令重排序在多线程环境下如何处理

2023-06-30 09:15

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这篇文章主要讲解了“Java指令重排序在多线程环境下如何处理”,文中的讲解内容简单清晰,易于学习与理解,下面请大家跟着小编的思路慢慢深入,一起来研究和学习“Java指令重排序在多线程环境下如何处理”吧!

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。

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@AllArgsConstructorclass UserModel {    private Integer userId;    private String userName;
1、解析创建过程
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@AllArgsConstructorpublic 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<ValueModel> 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@AllArgsConstructorclass 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。

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

感谢各位的阅读,以上就是“Java指令重排序在多线程环境下如何处理”的内容了,经过本文的学习后,相信大家对Java指令重排序在多线程环境下如何处理这一问题有了更深刻的体会,具体使用情况还需要大家实践验证。这里是编程网,小编将为大家推送更多相关知识点的文章,欢迎关注!

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