一、序言

指令重排在單線程環(huán)境下有利于提高程序的執(zhí)行效率，不會(huì)對(duì)程序產(chǎn)生負(fù)面影響；在多線程環(huán)境下，指令重排會(huì)給程序帶來(lái)意想不到的錯(cuò)誤。

本文對(duì)多線程指令重排問(wèn)題進(jìn)行復(fù)原，并針對(duì)指令重排給出相應(yīng)的解決方案。

二、問(wèn)題復(fù)原

（一）關(guān)聯(lián)變量

下面給出一個(gè)能夠百分之百?gòu)?fù)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(jié)果預(yù)測(cè)

reader方法僅在flag變量為true時(shí)向控制臺(tái)打印變量a的值。

writer方法先執(zhí)行變量a的賦值操作，后執(zhí)行變量flag的賦值操作。

如果按照上述分析邏輯，那么控制臺(tái)打印的結(jié)果一定全為1。

2、指令重排

假如代碼未發(fā)生指令重排，那么當(dāng)flag變量為true時(shí)，變量a一定為1。

上述代碼中關(guān)于變量a和變量flag在兩個(gè)方法類均存在指令重排的情況。

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

通過(guò)觀察日志輸出，發(fā)現(xiàn)有大量的0輸出。

當(dāng)writer方法內(nèi)部發(fā)生指令重排時(shí)，flag變量先完成賦值，此時(shí)假如當(dāng)前線程發(fā)生中斷，其它線程在調(diào)用reader方法，檢測(cè)到flag變量為true，那么便打印變量a的值。此時(shí)控制臺(tái)存在超出期望值的結(jié)果。

（二）new創(chuàng)建對(duì)象

使用關(guān)鍵字new創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，因其非原子操作，故存在指令重排，指令重排在多線程環(huán)境下會(huì)帶來(lái)負(fù)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(chuàng)建過(guò)程

• 使用關(guān)鍵字new創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，大致分為一下過(guò)程：
• 在?？臻g創(chuàng)建引用地址
• 以類文件為模版在堆空間對(duì)象分配內(nèi)存
• 成員變量初始化
• 使用構(gòu)造函數(shù)初始化
• 將引用值賦值給左側(cè)存儲(chǔ)變量

2、重排序過(guò)程分析

針對(duì)上述示例，假設(shè)第一個(gè)線程進(jìn)入synchronized代碼塊，并開(kāi)始創(chuàng)建對(duì)象，由于重排序存在，正常的創(chuàng)建對(duì)象過(guò)程被打亂，可能會(huì)出現(xiàn)在棧空間創(chuàng)建引用地址后，將引用值賦值給左側(cè)存儲(chǔ)變量，隨后因CPU調(diào)度時(shí)間片耗盡而產(chǎn)生中斷的情況。

后續(xù)線程在檢測(cè)到instance變量不為空，則直接使用。因?yàn)閱卫龑?duì)象并為實(shí)例化完成，直接使用會(huì)帶來(lái)意想不到的結(jié)果。

三、應(yīng)對(duì)指令重排

（一）AtomicReference原子類

使用原子類將一組相關(guān)聯(lián)的變量封裝成一個(gè)對(duì)象，利用原子操作的特性，有效回避指令重排問(wèn)題。

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

原子類應(yīng)該是解決多線程環(huán)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(jí)互斥鎖，效率相對(duì)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(dāng)一組相關(guān)聯(lián)的變量發(fā)生指令重排時(shí)，使用原子操作類是比較優(yōu)的解法。

（二）volatile關(guān)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(shí)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(duì)單線程執(zhí)行的程序的一種性能優(yōu)化，需要明確的是，指令重排在單線程環(huán)境下，不會(huì)改變順序程序執(zhí)行的預(yù)期結(jié)果。

2、多線程環(huán)境指令重排

上面討論了兩種典型多線程環(huán)境下指令重排，分析其帶來(lái)負(fù)面影響，并分別提供了應(yīng)對(duì)方式。

• 對(duì)于關(guān)聯(lián)變量，先封裝成一個(gè)對(duì)象，然后使用原子類來(lái)操作
• 對(duì)于new對(duì)象，使用volatile關(guān)鍵字修飾目標(biāo)對(duì)象即可

3、synchronized鎖與重排序無(wú)關(guān)

synchronized鎖通過(guò)互斥鎖，有序的保證線程訪問(wèn)特定的代碼塊。代碼塊內(nèi)部的代碼正常按照編譯器執(zhí)行的策略重排序。

盡管synchronized鎖能夠回避多線程環(huán)境下重排序帶來(lái)的不利影響，但是互斥鎖帶來(lái)的線程開(kāi)銷相對(duì)較大，不推薦使用。

synchronized 塊里的非原子操作依舊可能發(fā)生指令重排

到此這篇關(guān)于Java多線程環(huán)境指令重排的文章就介紹到這了。希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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