[Java并发-1]变量可见性问题

变量可见性问题

1.什么是可见性？

  一个操作的结果，对于另一个操作是可见的。从Java程序的角度来说，是跨线程操作之间的可见性。举个例子，A线程存在一个写a变量的操作，B线程存在一个读a变量的操作，那么可见性就是指，写操作的结果，对于读操作是可见的。

我们用一段代码，来模拟可见性问题的场景

import java.util.concurrent.TimeUnit;


public class TestVolatile {

    private boolean flag = true;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestVolatile testVolatile = new TestVolatile();
        Thread th1 = new Thread(new Runnable() {
            int i = 0;
            @Override
            public void run() {
                while(testVolatile.flag == true){
                    i = i + 1;
                }
                System.out.println("退出while循环，i=" + i);
            }
        });
        th1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        testVolatile.flag = false;
        System.out.println("flag设置为false了");
        th1.join();
        System.out.println("主线程结束");
    }

}

  事实上，这段代码在我的电脑上运行，是不会退出while循环的，这就出现了可见性问题：主线程对变量flag作出的修改操作，子线程th1看不到。理由有2点，第一是因为在多核CPU的硬件环境下，不同线程可能占用不同的CPU资源，每个CPU有自己的缓存，主线程对flag的修改结果是先写入主线程所在的CPU缓存，再写入JVM堆内存的，从写入缓存->写入主内存->th1刷新新的数据到缓存，这期间数据不一致，因此子线程th1可能暂时看不到最新的flag变量值（缓存一致性协议保证最终能看到）；第二是因为出现了指令重排序（导致无限循环的罪魁祸首）。P.S.可见性问题是综合性问题，可能是CPU缓存导致的，也可能是硬件优化导致的（有些内存读写可能不会立刻触发，而是进入一个硬件队列），还可能是指令重排序、编译器优化导致的。

  HotSpot虚拟机有2种编译形式，一种是解释执行，逐条将字节码编译成机器码并执行，一种是即时编译（Just In Time Compilation，JIT），将一个方法中所有的字节码翻译成机器码并执行。前者的优势在于，不需要等待编译，后者的优势在于，实际执行速度更快。HotSpot虚拟机默认采取混合模式，先解释执行字节码，然后对热点代码，以方法为单位进行即时编译。
  实际上，百分之20的代码占据了80%的计算资源，对于大部分不常用的代码，无需耗费时间即时编译，而是采取解释执行的方式运行。对于小部分热点代码（例如循环），我们可以将其编译为机器码，提高效率。HotSpot内置多个即时编译器：C1、C2和Graal。Graal是Java10正式引入的，这里不讲。C1又称为Client编译器，针对的是对启动性能有要求的客户端GUI程序，优化手段相对简单，编译时间较短。C2又称为Server编译器，针对的是对峰值性能有要求的服务端程序，优化手段相对复杂，编译时间较长。从Java7开始，HotSpot默认采取分层编译的方式：热点方法被C1编译，热点中的热点，被C2编译。即时编译是放在额外的线程中进行的，HotSpot会根据CPU的数量设置编译线程的数目，按照1:2的比例配置给C1和C2编译器。在计算资源充足的情况下，字节码的解释执行和即时编译可以同时进行，编译完成后的机器码，会在下次调用该方法时生效，替换原来的解释执行。

  回到例子，在示例代码的while循环处，因为i = i + 1执行次数很多，属于热代码，C2编译器会进行进一步的优化，将指令重排序，变成下面的样子。（如果运行参数为Client编译模式，在这里就不会出现重排序）

    if(flag){
        while(true){
            i = i + 1;
        }
    }

2.怎么解决上述问题？

  关闭重排序优化（JIT优化），告诉编译器，我不需要重排序。

  也可以利用volatile关键字。根据Java内存模型的规定，对一个volatile变量的写操作，happens before后续对这个volatile变量的读操作，我们可以给flag变量加上volatile关键字，这样只要某个线程更新了flag，其他线程立马能够看到最新的值。P.S.为了满足Java内存模型的规定，实现volatile关键字的功能，需要做到两点：1.volatile变量禁止缓存，任何线程对volatile变量的读，都得保证是最新的值。2.禁止重排序，volatile变量不做任何重排序的操作。

  运行结果：

3.可见性是由什么决定的

  可见性是由Java内存模型决定的。内存模型决定了程序在某个点，能够读取到什么值。