volatile指令重排[通俗易懂]

全栈程序员站长

发布于 2022-11-07 16:58:41

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发布于 2022-11-07 16:58:41

什么时候会发生指令重排？

先来一个测试指令重排现象，下面这段代码会发生指令重排，也就是JVM优化了执行顺序。

/** * 指令重排测试 */
public class CommandDisorder { 

// 当使用volatile关键词修饰变量时，则不会出现指令重排现象
private static /*volatile*/ int a = 0, b = 0, c = 0, d = 0;
/** * 测试方式：一次开启两个线程，同时修改变量 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 

int i = 0;
while (true) { 

i++;
a = b = c = d = 0;
Thread t1 = new Thread(() -> { 

a = 1;
c = b; // 指令重排，会先执行这行代码,导致c = 0, d = 0
});
Thread t2 = new Thread(() -> { 

b = 1;
d = a; // 指令重排，会先执行这行代码,导致c = 0, d = 0
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
if (c == 0 && d == 0) { 

System.err.println(String.format("第%s次出现指令重排", i));
break;
} else { 

System.out.println(i);
}
}
}
}

指令重排，异常出现了：

什么是指令重排？

为了提高性能，编译器和处理器常常会对既定的代码执行顺序进行指令重排序，JMM内部会有指令重排，并且会有af-if-serial和happen-before的理念来保证指令的正确性。

af-if-serial：不管怎么重排序，单线程下的执行结果不能被改变；
先行发生原则(happen-before)：先行发生原则有很多，其中程序次序原则，在一个线程内，按照程序书写的顺序执行，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作，准确地讲是控制流顺序而不是代码顺序。

真实的业务中如何避免指令重排？

在真实业务场景中，预测到可能有多线程访问同一个变量时，建议加上volatile关键词，保证变量在线程间的可见性。

举一个简单的例子，单例模式。

public class Singleton { 

// 为了避免指令重排，这里需要加上volatile关键词
private static /*volatile*/ Singleton singleton = null;
/** * double check lock(DCL) */
public static Singleton getInstance() { 

if (singleton == null) { 

synchronized (Singleton.class) { 

if (singleton == null) { 

// new 一个对象的过程，有三个步骤
// 1.内存分配
// 2.初始化
// 3.返回对象引用
// 由于JVM指令重排优化，可能会使得2、3两步顺序发生变化，说明这里不是一个原子性操作
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
private static void removeInstance() { 

singleton = null;
}
private final String field = "init";
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException { 

ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
long start = System.currentTimeMillis();
for (int j = 0; j < 3000_000; j++) { 

execute(threadPool);
Singleton.removeInstance();
}
System.out.println("正常结束");
System.out.println("执行耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms");
System.exit(0);
}
/** * 使用500个线程同时去获取实例 */
private static final int THREAD_COUNT = 500;
private static void execute(ExecutorService threadPool) throws InterruptedException, ExecutionException { 

CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(THREAD_COUNT);
List<Callable<Singleton>> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { 

list.add(() -> { 

downLatch.countDown();
Singleton instance = Singleton.getInstance();
if (instance.field == null) { 

throw new RuntimeException("获取到未实例化的对象");
}
return instance;
});
}
List<Future<Singleton>> futures = threadPool.invokeAll(list);
Set<Singleton> set = new HashSet<>();
for (Future<Singleton> future : futures) { 

set.add(future.get());
}
if (set.size() > 1) { 

System.out.println("产生多实例！");
throw new RuntimeException("产生多实例！");
}
}
}

当没有采用DCL时，可能会产生多实例。采用了DCL而没有使用volatile关键词，则可能出现：获取到未实例化的对象，原理见第一个示例。

看似一个简单的单例，内部却隐含了不少有意思的内容。

发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/183443.html原文链接：https://javaforall.cn

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原始发表：2022年10月10日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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