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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。
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