Java并行(3):可见性重访之锁、Volatile与原子变量
1. 过期数据
我们在前面讨论JMM时便已提出“同步之道,外炼‘互斥’,内修‘可见’”的法门。过去,我不注意内存可见性的时候,程序里长满了小红疙瘩:
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public class RedPimple extends Thread{ private boolean done; private int value; @Override public void run() { while(!done) //A Thread.yield(); System.out.println(value); //D } public void done() { done = true; } public void setValue(int value){ this.value = value; } public static void main(String[] args) { RedPimple r = new RedPimple(); r.start(); r.setValue(1); //B r.done(); //C } }
上面的代码有什么问题?即使运行它千百遍,你可能也察觉不出有什么问题。但是,问题确实存在。
- 病灶一:r线程理论上存在无限循环的可能(这里有两个线程,main线程和r线程)。因为没有任何同步的措施,main线程中C动作的效果何时对于r线程的A可见是不可知的。他肯能在done值已经被改之后的一段时间里仍然读到过期数据,最极端的情况,A一直读到的都是过期数据false。
- 病灶二:理论上可能打印出0。这就更匪夷所思了,main线程里不是有 B hb C么?没错,是有B hb C,但是不管是B还是C,都和A、D没有hb关系,理论上存在这样的执行序列C A D B, 它是合法的,C依旧可以宣称看到了B的效果。(这是从JMM理论上论证是允许的,实际情况取决于JMM掩盖之下的你的机器的MM)
这就是“过期数据”的隐患。尽管在这个例子里,问题好像还没那么严重,无非皮肤上出点小丘疹而已。但在实际的编程中,过期数据的危害是不容小视的。
2. 锁的可见性
后来,我用了“锁牌香皂”,小红疙瘩真的就不见了!看这里看这里……
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public class NoRedPimple extends Thread { private boolean done; private int value; @Override public void run() { boolean tmp = false; while (!tmp) { synchronized (this) { tmp = done; //A }
Thread.yield(); }
synchronized (this) { System.out.println(value); //D
} } synchronized public void done() { done = true; } synchronized public void setValue(int value) { this.value = value; } public static void main(String[] args) { NoRedPimple r = new NoRedPimple(); r.start(); r.setValue(1); //B r.done(); //C } }
正如这个例子所示,锁不仅仅有“互斥”的功能,而且还保证了内存可见性。运用我们在JMM里提到的理论,被标号的三个操作这次有了明确的HB关系,这下就不会有小红疙瘩了。
更进一步看锁的可见性:如果有两个线程t1,t2,t1有动作序列A B C U,其中U为放锁操作,t2有动作序列L D E F,L为加锁操作(同一锁),那么在执行中如果有U tb L,那么这两个线程的执行序列必为 A B C U L D E F,再无其他可能。这就保证了“在放锁前对t1可见的值,B获得锁后同样可见”。
3. Volatile
虽然上面用锁解决了过期数据的问题,但似乎有些大材小用了吧?代码不那么好看,治好了疹子,却留了一脸麻子。Java早已为消费者考虑到了这一点,volatile就是一种轻量级的同步,它可以保证“可见性”,但不保证“互斥”。
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public class NoRedPimple extends Thread { private volatile boolean done; private volatile int value; @Override public void run() { while (!done) {//A Thread.yield(); } System.out.println(value); //D } public void done() { done = true; } public void setValue(int value) { this.value = value; } public static void main(String[] args) { NoRedPimple r = new NoRedPimple(); r.start(); r.setValue(1); //B r.done(); //C } }
是不是简洁很多?结合JMM中对volatile读写的规定(SW第二条规则),上面的代码完全符合我们的要求,没有过期数据。那么,什么时候可以用volatile呢?必须同时满足以下三条:
- 不依赖自己:写变量时并不依赖变量的当前值,或者:可以保证只有一个writer
- 不依赖别人:变量不与其他状态共同组成invariant。
- 访问变量时,没有其他原因需要加锁。
只解释一下第一条,可能很多人对“不依赖自己的当前值”不太理解,举个简单的例子:count++, 这个就叫依赖当前值。为什么要有这样的限制?因为,volatile不保证count++是原子的,即我们所说的“互斥执行”,虽然我们过去的例子都把一条代码当作一个动作,但相信你知道,一条代码在CPU那里多半不会是一条指令,比如count++其实会分解为load-modify-store三个更小的动作,如果这样的操作有多个线程在做,是极易出错的。(鉴于这个问题过于经典,就此打住)。所以,第一条规则实际的意思就是“要么只有一个writer,怎么写随你便;要么可以多个writer,但不能是count++这种依赖当前值的写”。
4. 原子变量
Java 1.5 一声炮响,给我们送来了java.util.concurrency包,这个包并行功能强大,工具齐全,我们以后讨论会经常用到。原子变量也是此包提供的工具之一。顾名思义,原子变量,即支持“原子更新”,它更多地被用在“非阻塞算法”和“lock-free算法”中,其实我很想现在讨论非阻塞算法,两次面试都被考到,但抬头看看标题已经写了“可见性重访”,还是不跑题了,以后有机会再和大家讨论这个topic。
而除了“原子更新”的好处外,原子变量还提供了与volatile相同的内存语义,所以volatile所能保证的可见性,在原子变量这里同样可以。
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import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class NoRedPimple extends Thread { private AtomicBoolean done = new AtomicBoolean(false); private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0); @Override public void run() { while (!done.get()) {//A Thread.yield(); } System.out.println(value.get()); //D } public void done() { done.set(true); } public void setValue(int value) { this.value.set(value); } public static void main(String[] args) { NoRedPimple r = new NoRedPimple(); r.start(); r.setValue(1); //B r.done(); //C } }
当然,我们这里使用原子变量,也是“大材小用”了的,原子变量的NB之处在于其原子性的CAS(compare-and-set)操作,由此可以完成volatile所不能的“check-and-act”动作,“可见性”只不过是其稍带脚支持的功能而已。我们以后再讨论他的CAS、由他构建的“非阻塞算法”以及“非阻塞算法”和用一般锁构建的“阻塞算法”的比较。
主要参考资料:
1. JSL 第三版
2. Java Concurrency in Practice