Java指令重排在多線程環境下怎么解決

本篇內容介紹了“Java指令重排在多線程環境下怎么解決”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

一、序言

指令重排在單線程環境下有利于提高程序的執行效率，不會對程序產生負面影響；在多線程環境下，指令重排會給程序帶來意想不到的錯誤。

二、問題復原

（一）關聯變量

下面給出一個能夠百分之百復原指令重排的例子。

public 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、結果預測

reader方法僅在flag變量為true時向控制臺打印變量a的值。

writer方法先執行變量a的賦值操作，后執行變量flag的賦值操作。

如果按照上述分析邏輯，那么控制臺打印的結果一定全為1。

2、指令重排

假如代碼未發生指令重排，那么當flag變量為true時，變量a一定為1。

上述代碼中關于變量a和變量flag在兩個方法類均存在指令重排的情況。

public static void writer() {
    a = 1;
    flag = true;
}

通過觀察日志輸出，發現有大量的0輸出。

當writer方法內部發生指令重排時，flag變量先完成賦值，此時假如當前線程發生中斷，其它線程在調用reader方法，檢測到flag變量為true，那么便打印變量a的值。此時控制臺存在超出期望值的結果。

（二）new創建對象

使用關鍵字new創建對象時，因其非原子操作，故存在指令重排，指令重排在多線程環境下會帶來負面影響。

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
@AllArgsConstructor
class UserModel {
    private Integer userId;
    private String userName;
}

1、解析創建過程

• 使用關鍵字new創建一個對象，大致分為一下過程：

• 在棧空間創建引用地址

• 以類文件為模版在堆空間對象分配內存

• 成員變量初始化

• 使用構造函數初始化

• 將引用值賦值給左側存儲變量

2、重排序過程分析

針對上述示例，假設第一個線程進入synchronized代碼塊，并開始創建對象，由于重排序存在，正常的創建對象過程被打亂，可能會出現在棧空間創建引用地址后，將引用值賦值給左側存儲變量，隨后因CPU調度時間片耗盡而產生中斷的情況。

后續線程在檢測到instance變量不為空，則直接使用。因為單例對象并為實例化完成，直接使用會帶來意想不到的結果。

三、應對指令重排

（一）AtomicReference原子類

使用原子類將一組相關聯的變量封裝成一個對象，利用原子操作的特性，有效回避指令重排問題。

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class ValueModel {
    private Integer value;
    private Boolean flag;
}

原子類應該是解決多線程環境下指令重排的首選方案，不僅通俗易懂，而且線程間使用的非重量級互斥鎖，效率相對較高。

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));
        }
    }
}

當一組相關聯的變量發生指令重排時，使用原子操作類是比較優的解法。

（二）volatile關鍵字

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
@AllArgsConstructor
class UserModel {
    private Integer userId;
    private String userName;
}

四、指令重排的理解

1、指令重排廣泛存在

指令重排不僅限于Java程序，實際上各種編譯器均有指令重排的操作，從軟件到CPU硬件都有。指令重排是對單線程執行的程序的一種性能優化，需要明確的是，指令重排在單線程環境下，不會改變順序程序執行的預期結果。

2、多線程環境指令重排

上面討論了兩種典型多線程環境下指令重排，分析其帶來負面影響，并分別提供了應對方式。

• 對于關聯變量，先封裝成一個對象，然后使用原子類來操作

• 對于new對象，使用volatile關鍵字修飾目標對象即可

3、synchronized鎖與重排序無關

synchronized鎖通過互斥鎖，有序的保證線程訪問特定的代碼塊。代碼塊內部的代碼正常按照編譯器執行的策略重排序。

盡管synchronized鎖能夠回避多線程環境下重排序帶來的不利影響，但是互斥鎖帶來的線程開銷相對較大，不推薦使用。

synchronized 塊里的非原子操作依舊可能發生指令重排

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