Java中的可见性问题

末蓝、 2023-10-06 16:44 2阅读 0赞

**目录**

前言

什么是 Java 内存模型？

程序的顺序性

Happens-Before 规则

volatile 变量规则

传递性规则

管程中锁的规则

线程 start() 规则

线程 join() 规则

线程中断规则

final规则

总结

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### 前言 ###

编程中可见性、原子性、有序性导致的问题常常会违背我们的直觉，从而成为并发编程的 Bug 之源。这三者在编程领域属于共性问题，所有的编程语言都会遇到，Java 在诞生之初就支持多线程，自然也有针对这三者的技术方案，而且在编程语言领域处于领先地位。理解 Java 解决并发问题的解决方案，对于理解其他语言的解决方案有触类旁通的效果。

那我们就先来聊聊如何解决其中的可见性和有序性导致的问题，这也就引出来了今天的主角——**Java 内存模型**。

### 什么是 Java 内存模型？ ###

你已经知道，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**。那么，如何做到“按需禁用”呢？对于并发程序，何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。

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。掌握这些方法，我们就可以按需地禁用缓存和编译优化了，也就掌握了Java内存模型最核心的东西。

### 程序的顺序性 ###

在分析Happens-Before规则之前，一定要搞懂程序的顺序性。程序的顺序性指在编译器以及CPU优化情况下(**编译器&CPU优化会破坏程序执行顺序**)，保证程序以单线程方式执行时，其结果的不变性。举个例子，在单线中，下面的程序不论重复多少次(先执行writer后执行reader)，最后始终会输出42。这只对单线程程序而言，多线程程序(一个线程执行writer，另一个线程执行reader)中可能会输出0。

class Example {
    
      int x = 0;
      boolean v = false;
      
      public void writer() {
        this.x = 42;
        this.v = true;
      }
    
      public void reader() {
        while (true) {
          if (v) {
            print(x);
            return;
          }
        }
      }
    }

程序的顺序性在任何CPU，任何编程语言中都需遵守的基本规则，因此Java语言或者说Java内存模型天然支持的。因此，Happens-Before规则其实应用于多线程场景，我们在编写多线程程序时一定要考虑到Happens-Before规则的使用。

### 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七项，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。

#### volatile 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，即被volatile修饰的变量写对读是可见的，确保线程在执行读操作时始终拿到的是新值。同时volatile禁止重排序功能，被volatile修饰的变量在进行读写时，这些变量是不能重排序；volatile变量前后的读写操作不能重排序

volatile int a;
    volatile int b;
    volatile int c;
    int d;
    int e;
    int f;
    
    //(1)(2)(3)不能重排序
    a=10;     (1)
    b=20;     (2)
    c=30;     (3)
    
    //将(5)看成一堵障碍，其前后的操作不能跨越障碍
    //因此(4)不能滞后于(5)执行，(6)(7)不能先于(5执行)，但(6)(7)可以重排序执行
    d=40;     (4)
    b=50;     (5)
    e=60;     (6)
    f=70;     (7)

#### 传递性规则 ####

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

在解释传递性规则之前先修改开始出现的那段代码，用volatile修饰v变量

class Example {
    
      int x = 0;
      volatile boolean v = false;
      
      public void writer() {
        this.x = 42;
        this.v = true;
      }
    
      public void reader() {
        while (true) {
          if (v) {
            print(x);
            return;
          }
        }
      }
    }

我们将传递性应用到我们的例子中，会发生什么呢？

示例代码中的传递性规则

“x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是**volatile规则**的内容；

写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是**volatile规则**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”

### 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，且被锁保护的共享资源在进行写操作时对其他线程可见。

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=10
      if (this.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。

### 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
    var = 77;
    
    // 主线程启动子线程
    B.start();

### 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

### 线程中断规则 ###

对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

//线程A此处对共享变量var修改
    var = 66
    
    //中断线程B
    B.interrupt()

线程B被中断后，线程B看到共享变量var的值应为66

### final规则 ###

前面我们讲 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。**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。但是final使用不当会导致对象“逸出”。

“逸出”有点抽象，我们还是举个例子吧，在下面例子中，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因此我们一定要避免“逸出”。

因此在编程时最好不要在构造函数中把this赋值给一个全局变量。

final int x;
    
    // 错误的构造函数
    public FinalFieldExample() { 
      x = 3;
      y = 4;
      // 此处就是讲this逸出，
      global.obj = this;
    }

### 总结 ###

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，之后 C++、C\#、Golang 等高级语言都开始支持内存模型。Java 内存模型里面，最晦涩的部分就是 Happens-Before 规则了，Happens-Before 规则最初是在一篇叫做 **Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System** 的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。

在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向你我这种编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们可以重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则。相信经过本章的介绍，你应该对这部分内容已经有了深入的认识。