7.线程安全之可见性

2020-03-03 本文已影响0人强某某

可见性问题

代码

// 关闭jit优化：-server -Djava.compiler=NONE

//将运行模式设置为- server服务器端，就会变成死循环，默认idea运行时-client模式不会进行jvm层次的指令重排，也就是JIT时期的重排
//通过设置JVM的参数，打印JIT编译的内容(这里说的编译非class文件，是底层汇编内容)，通过可视化工具jitwatch查看
//-server -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:+LogCompilation -XX:LogFile=jit.log
public class VisibilityDemo {
    private  boolean flag=true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityDemo demo=new VisibilityDemo();
        new Thread(()->{
            int i=0;
            //class->运行时jit编译->汇编指令->重排序
            while (demo.flag) {//指令重排序导致死循环
                    i++;
            }
//            if (demo.flag) {
//                while (true) {
//                    i++;
//                }
//            }
            System.out.println(i);
        }).start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        demo.flag=false;
        System.out.println("重置了");
    }
}

说明：在java运行参数加上server时候，为提高性能，会执行jit然后指令重排，导致实际上执行的是注释的代码，从而导致死循环

工作内存缓存

其实也就是cpu缓存，但是实际上该缓存只会让另外线程晚一点发现变量已经改为false了，而不是导致死循环

1.png

指令重排
出了CPU会进行指令重排，Java编程语言的语义允许编译器和微处理器执行优化，这些优化可以与不正确的同步代码交互，从而产生看似矛盾的行为。

2.png

从上图可知，左边的重排就会导致结果的未可知。

3.png

共享变量描述
可以在线程之间共享的内存称为共享内存或堆内存。例如：实例字段，静态字段和数组元素都存储在堆内存中。

Happens-before先行发生原则:下列的时候jit不进行指令重排，同时jit会调用cpu的内存屏障禁止cpu级别的指令重排
happens-before关系主要用于强调两个有冲突的动作之间的顺序，以及定义数据争用的发生时机。
具体虚拟机的实现，有必要确保以下原则的成立

某个线程中的每个动作都happens-before该线程中该动作后面的动作
某个管程(监视器)上的unlock动作happens-before同一个管程上后续的lock动作()
对某个volatile字段的写操作happens-before每个后续对该volatile字段的读操作
对某个线程对象上调用start()方法happens-before该启动了的线程中的任意动作
某个线程中的所有动作happens-before任意其他线程成功从该线程对象上的join()返回
如果某个动作a happens-before动作 b，且b happens-before动作c，则有 a happens-before c

管程概念补充

1.     管程可以看做一个软件模块，它是将共享的变量和对于这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，进程可以调用管程来实现进程级别的并发控制。

2.     进程只能互斥得使用管程，即当一个进程使用管程时，另一个进程必须等待。当一个进程使用完管程后，它必须释放管程并唤醒等待管程的某一个进程。

3.     在管程入口处的等待队列称为入口等待队列，由于进程会执行唤醒操作，因此可能有多个等待使用管程的队列，这样的队列称为紧急队列，它的优先级高于等待队列。

针对第二条:如下加上同步关键字则jit就不会指令重排，不会死循环

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityDemo demo=new VisibilityDemo();
        new Thread(()->{
            int i=0;
            //class->运行时jit编译->汇编指令->重排序
            while (demo.flag) {//指令重排序导致死循环
               synchronized (this) {
                    i++;
               }
            }
            System.out.println(i);
        }).start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        demo.flag=false;
        System.out.println("重置了");
    }

volatile关键字
可见性问题：让一个线程对共享变量的修改，能够及时的被其他线程看到

根据JMM中规定的happen before和同步原则：
对某个volatile字段的写操作happens-before每个后续对该volatile字段的读操作。
对volatile变量的v的写入，与所有其他线程后续对v的读同步

要满足这些条件，所以volatile关键字有以下功能
- 禁止缓存(所有缓存，不但指cpu缓存,甚至包含jvm的缓存等等)：volatile变量的访问控制符会加个ACC_VOLATILE(禁止缓存can not be cache)
- 对volatile变量相关的指令不做重排序

针对第三条:加上volatile关键字也禁止了指令重排，所以也可以避免死循环

public class VisibilityDemo {
    private volatile boolean flag=true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityDemo demo=new VisibilityDemo();
        new Thread(()->{
            int i=0;
            //class->运行时jit编译->汇编指令->重排序
            while (demo.flag) {//指令重排序导致死循环
                    i++;
            }
            System.out.println(i);
        }).start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        demo.flag=false;
        System.out.println("重置了");
    }
}

说明：volatile修饰的关键字，则没有缓存的说法了，每次其他线程或者本线程读取的时候都会从主内存读取，而且修饰之后，jit也不会对这部分进行指令重排，从而正常结束

word tearing字节处理

4.png

double和long的特殊处理

5.png

final在JMM中处理

final在该对象的构造函数中设置对象的字段，当线程看到该对象时，将始终看到该对象的final字段的正确构造版本。伪代码示例：f=new finalDemo()；读取到的f.x一定时最新的，x为final字段。如果不是final修饰的话，则不能保证多线程读取时候初始一定是初始化之后的值，偶尔可以看到默认值
如果在构造函数中设置字段后发生读取，则会看到该final字段分配的值，否则它将看到默认值

public class Final {
    final int x;
    int y;

    public Final(){
         x=1;
         y=x;
        System.out.println(y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Final f=new Final();
    }
}

如果没设置final修饰x，则可能出现y是默认值的情况，如果加了final修饰那就肯定是1

读取该共享对象的final成员变量之前，先要读取共享对象。
伪代码：r=new ReferenceObj();k=r.f;这两个操作不能重排序
通常static final是不可以修改的字段，然后System.in,System.out和System.err是static final字段，历史遗留原因，可以通过set方法改变，称这些字段为写保护，以区别于普通final字段

7.线程安全之可见性

可见性问题

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