Java指令重排序在多執行緒環境下的應對策略

Java知識圖譜發表於2022-04-23
Java排序執行緒

一、序言

指令重排在單執行緒環境下有利於提高程式的執行效率，不會對程式產生負面影響；在多執行緒環境下，指令重排會給程式帶來意想不到的錯誤。

本文對多執行緒指令重排問題進行復原，並針對指令重排給出相應的解決方案。

二、問題復原

（一）關聯變數

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變數為true時向控制檯列印變數a的值。

writer方法先執行變數a的賦值操作，後執行變數flag的賦值操作。

如果按照上述分析邏輯，那麼控制檯列印的結果一定全為1。

2、指令重排

假如程式碼未發生指令重排，那麼當flag變數為true時，變數a一定為1。

上述程式碼中關於變數a和變數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;
}

通過觀察日誌輸出，發現有大量的0輸出。

當writer方法內部發生指令重排時，flag變數先完成賦值，此時假如當前執行緒發生中斷，其它執行緒在呼叫reader方法，檢測到flag變數為true，那麼便列印變數a的值。此時控制檯存在超出期望值的結果。

（二）new建立物件

使用關鍵字new建立物件時，因其非原子操作，故存在指令重排，指令重排在多執行緒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、解析建立過程
  • 使用關鍵字new建立一個物件，大致分為一下過程：
  • 在棧空間建立引用地址
  • 以類檔案為模版在堆空間物件分配記憶體
  • 成員變數初始化
  • 使用建構函式初始化
  • 將引用值賦值給左側儲存變數
2、重排序過程分析

針對上述示例，假設第一個執行緒進入synchronized程式碼塊，並開始建立物件，由於重排序存在，正常的建立物件過程被打亂，可能會出現在棧空間建立引用地址後，將引用值賦值給左側儲存變數，隨後因CPU排程時間片耗盡而產生中斷的情況。

後續執行緒在檢測到instance變數不為空，則直接使用。因為單例物件併為例項化完成，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數封裝成一個物件，利用原子操作的特性，有效迴避指令重排問題。

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

原子類應該是解決多執行緒環境下指令重排的首選方案，不僅通俗易懂，而且執行緒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));
        }
    }
}

當一組相關聯的變數發生指令重排時，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

指令重排不僅限於Java程式，實際上各種編譯器均有指令重排的操作，從軟體到CPU硬體都有。指令重排是對單執行緒執行的程式的一種效能優化，需要明確的是，指令重排在單執行緒環境下，不會改變順序程式執行的預期結果。

2、多執行緒環境指令重排

上面討論了兩種典型多執行緒環境下指令重排，分析其帶來負面影響，並分別提供了應對方式。

  • 對於關聯變數，先封裝成一個物件，然後使用原子類來操作
  • 對於new物件，使用volatile關鍵字修飾目標物件即可
3、synchronized鎖與重排序無關

synchronized鎖通過互斥鎖，有序的保證執行緒訪問特定的程式碼塊。程式碼塊內部的程式碼正常按照編譯器執行的策略重排序。

儘管synchronized鎖能夠迴避多執行緒環境下重排序帶來的不利影響，但是互斥鎖帶來的執行緒開銷相對較大，不推薦使用。

synchronized 塊裡的非原子操作依舊可能發生指令重排

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