Java中long和double的原子性

我会带着你远行 2022-02-03 03:47 215阅读 0赞

### Java中long和double的原子性 ###

### JVM中对long的操作是不是原子操作？ ###

首先，通过一段程序对long的原子性进行判断。测试程序如下：

public class LongAtomTest implements Runnable {
    
        private static long field = 0;
    
        private volatile long value;
    
        public long getValue() {
            return value;
        }
    
        public void setValue(long value) {
            this.value = value;
        }
    
        public LongAtomTest(long value) {
            this.setValue(value);
        }
    
        @Override
        public void run() {
            int i = 0;
            while (i < 100000) {
                LongAtomTest.field = this.getValue();
                i++;
                long temp = LongAtomTest.field;
                if (temp != 1L && temp != -1L) {
                    System.out.println("出现错误结果" + temp);
                    System.exit(0);
                }
            }
            System.out.println("运行正确");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            // 获取并打印当前JVM是32位还是64位的
            String arch = System.getProperty("sun.arch.data.model");
            System.out.println(arch+"-bit");
            LongAtomTest t1 = new LongAtomTest(1);
            LongAtomTest t2 = new LongAtomTest(-1);
            Thread T1 = new Thread(t1);
            Thread T2 = new Thread(t2);
            T1.start();
            T2.start();
            T1.join();
            T2.join();
        }
    
    }

可以看到，程序中有两条线程t1,t2； t1,t2各自不停的给long类型的静态变量field赋值为1，-1； t1,t2每次赋值后，会读取field的值，若field值既不是1又不是-1，就将field的值打印出来

如果对long的写入和读取操作是原子性的，那么，field的值只可能是1或者-1

运行结果如下

32-bit
    出现错误结果-4294967295
    运行正确

可以看出，当线程t1,t2同时对long进行写的时候，long出现了既不是t1写入的值，又不是t2写入的值。可以推测，jvm中对long的操作并非原子操作。

### 为什么对long的操作不是原子的？ ###

JVM内存模型中定义了8中原子操作：

> 1.  lock:将一个变量标识为被一个线程独占状态
> 2.  unclock:将一个变量从独占状态释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
> 3.  read:将一个变量的值从主内存传输到工作内存中，以便随后的load操作
> 4.  load:把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中
> 5.  use:把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎，每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令
> 6.  assign:把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时，都要使用该操作
> 7.  store:把工作内存中的一个变量的值传递给主内存，以便随后的write操作
> 8.  write:把store操作从工作内存中得到的变量的值写到主内存中的变量

其中，与赋值，取值相关的包括 read,load,use,assign,store,write

按照这个规定，long的读写都是原子操作，与我们的实践结果相反，为什会导致这种问题呢？

对于32位操作系统来说，单次次操作能处理的最长长度为32bit，而long类型8字节64bit，所以对long的读写都要两条指令才能完成（即每次读写64bit中的32bit）。如果JVM要保证long和double读写的原子性，势必要做额外的处理。 那么，JVM有对这一情况进行额外处理吗？ 针对这一问题可以参考Java语言规范文档：[jls-17 Non-Atomic Treatment of double and long][]

> *For the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.*

> *Writes and reads of volatile long and double values are always atomic.*

> *Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values.*

> *Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency’s sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts.*

> *Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications.*

从规定中我们可以知道

1.  对于64位的long和double，如果没有被volatile修饰，那么对其操作可以不是原子的。在操作的时候，可以分成两步，每次对32位操作。
2.  如果使用volatile修饰long和double，那么其读写都是原子操作
3.  对于64位的引用地址的读写，都是原子操作
4.  在实现JVM时，可以自由选择是否把读写long和double作为原子操作
5.  推荐JVM实现为原子操作

从程序得到的结果来看，32位的HotSpot没有把long和double的读写实现为原子操作。 在读写的时候，分成两次操作，每次读写32位。因为采用了这种策略，所以64位的long和double的读与写都不是原子操作。

### 在硬件，操作系统，JVM都是64位的情况下呢？ ###

对于64bit的环境来说，单次操作可以操作64bit的数据，即可以以一次性读写long或double的整个64bit。因此我们可以猜测，在64位的环境下，long和double的读写有可能是原子操作。 在换了64位的JVM之后，多次运行，结果都是正确的

64-bit
    运行正确
    运行正确

结果表明，在64bit的虚拟机下，long的处理是原子性的。

[jls-17 Non-Atomic Treatment of double and long]: http://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.7