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关于Java变量的可见性问题

Ambitor
 Ambitor
发布于 2016/04/18 18:21
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关于Java变量的可见性问题

博文前提

最近在oschina问答板块看到了一个关于java变量在工作内存和主存中的可见性问题:synchorized,sleep 也能达到volatile 线程可见性的目的?,大致的问题描述如下:

package com.test;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class test1 {

    private static boolean is = true;
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int i = 0;
                while(test1.is){

                   i++;

                   1 //synchronized (this) { } 会强制刷新主内存的变量值到线程栈?
                   2 //System.out.println("1"); println 是synchronized 的,会强制刷新主内存的变量值到线程栈?
                   3 //sleep 会从新load主内存的值? 
                     //    try {
                     //       TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(1);
                     //   }catch (InterruptedException e) {
                     //      e.printStackTrace(); 
                     //   }
                } 
            }
        }).start();
         try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();  
            }
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                is = false;  //设置is为false,使上面的线程结束while循环
            }
        }).start();
    }
}

问: 为什么整个程序不会终止? 为什么取消注释中的任何一个代码块(1,2,3),程序才会终止?synchronized 会强制刷新住内存的变量值到线程栈? sleep 会干什么呢?

涉及知识解释

  • volatile:此关键字保证了变量在线程的可见性,所有线程访问由volatile修饰的变量,都必须从主存中读取后操作,并在工作内存修改后立即写回主存,保证了其他线程的可见性,同样效果的关键字还有final。

  • synchronized:所有同步操作都必须保证 1、原子性 2、可见性,所以在同步块中发生的变化会立马写回主存

  • sleep:此方法只会让出CPU执行时间,并不会释放锁。

问题分析

Q1:为什么注释代码后程序不会终止?

A1:因为 boolean is=true 的变量值被前面线程(简称线程A)加载到自己的工作内存,在后面的线程(简称线程B)改变 boolean is=false 之后不一定会立马写入主存(不过这道题中应该会马上写入主存,因为线程执行完 is=false之后线程就要退出了),即便立马写入了主存后线程A也不一定马上load到工作内存中,所以程序一直不会终止?这个是我们大多数人想到的,但其实JVM针对现在的硬件水平已经做了很大程度的优化,基本上很大程度的保障了工作内存和主内存的及时同步,相当于默认使用了volatile。但只是最大程度!在CPU资源一直被占用的时候,工作内存与主内存中间的同步,也就是变量的可见性就会不那么及时!后面会验证结论。

Q2:为什么取消注释中的任何一个代码块(1,2,3),程序才会终止?

A2:行号为1、2的代码有一个共同特点,就是都涉及到了synchronized 同步锁,那么是否像提问作者猜想的那样synchronized会强制刷新主内存的变量值到线程栈?以及sleep方法也会刷新主存的变量值到线程栈呢?,事实上我们前面说了synchronized只会保证在同步块中的变量的可见性,而is变量并不在该同步块中,所以显然不是这个导致的。接下来我们在代码i++;后面加上以下代码:

for(int k=0;k<100000;k++){
    new Object();
}

再Run,程序立刻终止!为什么?在上面的 A1 中我们已经说了即便有JVM的优化,但当CPU一直被占用的时候,数据的可见性得不到很好的保证,就像上面的程序一直循环做i++;运算占用CPU,而为什么加上上面的代码后程序就会停止呢?因为对于大量new Object()操作来说,CPU已经不是主要占时间的操作,真正的耗时应该在内存的分配上(因为CPU的处理速度明显快过内存,不然也不会有CPU的寄存器了),所以CPU空闲后会遵循JVM优化基准,尽可能快的保证数据的可见性,从而从主存同步is变量到工作内存,最终导致程序结束,这也是为什么sleep()方法虽然没有涉及同步操作,但是依然可以使程序终止,因为sleep()方法会释放CPU,但不释放锁!

结束

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AnonymMan
AnonymMan

引用来自“AnonymMan”的评论

"前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。" ,变量is并没有作用在synchronized同步块里 并且该例中的synchronized并没有释放出CPU资源,为什么JVM会从主存同步到工作内存?

引用来自“Ambitor”的评论

synchronized(this) 。test1对象的锁被线程拿到,锁位于对象的对象头中,而获取锁的过程中线程会产生对主存中对象头的 lock-read-load-use-assign-store-write-unlock等系列操作。而java规定对一个变量进行lock时必须清空工作内存的值,在执行引擎执行之前,重新从主从读取,这个时候就会吧is变量从主存(其实在线程2 对is=false 赋值后 主存中的值就已经改变为false,这点可以通过运行程序后通过命令查看jvm堆中Test对象中is的属性值)从而线程退出,程序结束。 这也就解释了为什么使用synchronized就可以让程序停止。

引用来自“AnonymMan”的评论

synchronized(this)。是匿名内部类new Runnable() 这个对象(记做A)的锁被线程拿到,但是对A进行lock时清空的是A对象工作内存的值,重新从主存读取应该也只读A对象的值,is变量属于test1对象也是会重新从主存读取?

引用来自“Ambitor”的评论

A对象里面有Test.is啊。cpu在做操作的时候会读Test.is到工作内存去啊,如果要对A对象进行lock了,需要把之前读的数据进行清空重读啊。。你运行程序然后把堆dump导出 看就知道 其实A对象里面有包含Test对象的引用的~
明白了。感谢博主!
Ambitor
Ambitor

引用来自“AnonymMan”的评论

"前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。" ,变量is并没有作用在synchronized同步块里 并且该例中的synchronized并没有释放出CPU资源,为什么JVM会从主存同步到工作内存?

引用来自“Ambitor”的评论

synchronized(this) 。test1对象的锁被线程拿到,锁位于对象的对象头中,而获取锁的过程中线程会产生对主存中对象头的 lock-read-load-use-assign-store-write-unlock等系列操作。而java规定对一个变量进行lock时必须清空工作内存的值,在执行引擎执行之前,重新从主从读取,这个时候就会吧is变量从主存(其实在线程2 对is=false 赋值后 主存中的值就已经改变为false,这点可以通过运行程序后通过命令查看jvm堆中Test对象中is的属性值)从而线程退出,程序结束。 这也就解释了为什么使用synchronized就可以让程序停止。

引用来自“AnonymMan”的评论

synchronized(this)。是匿名内部类new Runnable() 这个对象(记做A)的锁被线程拿到,但是对A进行lock时清空的是A对象工作内存的值,重新从主存读取应该也只读A对象的值,is变量属于test1对象也是会重新从主存读取?
A对象里面有Test.is啊。cpu在做操作的时候会读Test.is到工作内存去啊,如果要对A对象进行lock了,需要把之前读的数据进行清空重读啊。。你运行程序然后把堆dump导出 看就知道 其实A对象里面有包含Test对象的引用的~
AnonymMan
AnonymMan

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"前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。" ,变量is并没有作用在synchronized同步块里 并且该例中的synchronized并没有释放出CPU资源,为什么JVM会从主存同步到工作内存?

引用来自“Ambitor”的评论

synchronized(this) 。test1对象的锁被线程拿到,锁位于对象的对象头中,而获取锁的过程中线程会产生对主存中对象头的 lock-read-load-use-assign-store-write-unlock等系列操作。而java规定对一个变量进行lock时必须清空工作内存的值,在执行引擎执行之前,重新从主从读取,这个时候就会吧is变量从主存(其实在线程2 对is=false 赋值后 主存中的值就已经改变为false,这点可以通过运行程序后通过命令查看jvm堆中Test对象中is的属性值)从而线程退出,程序结束。 这也就解释了为什么使用synchronized就可以让程序停止。
synchronized(this)。是匿名内部类new Runnable() 这个对象(记做A)的锁被线程拿到,但是对A进行lock时清空的是A对象工作内存的值,重新从主存读取应该也只读A对象的值,is变量属于test1对象也是会重新从主存读取?
Ambitor
Ambitor

引用来自“AnonymMan”的评论

"前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。" ,变量is并没有作用在synchronized同步块里 并且该例中的synchronized并没有释放出CPU资源,为什么JVM会从主存同步到工作内存?
synchronized(this) 。test1对象的锁被线程拿到,锁位于对象的对象头中,而获取锁的过程中线程会产生对主存中对象头的 lock-read-load-use-assign-store-write-unlock等系列操作。而java规定对一个变量进行lock时必须清空工作内存的值,在执行引擎执行之前,重新从主从读取,这个时候就会吧is变量从主存(其实在线程2 对is=false 赋值后 主存中的值就已经改变为false,这点可以通过运行程序后通过命令查看jvm堆中Test对象中is的属性值)从而线程退出,程序结束。 这也就解释了为什么使用synchronized就可以让程序停止。
AnonymMan
AnonymMan
可以套用@小乞丐 的回答? 循环线程获取、释放锁也意味着变量使用不频繁?那么就会在使用is变量的时候去read-load-use?
AnonymMan
AnonymMan
"前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。" ,变量is并没有作用在synchronized同步块里 并且该例中的synchronized并没有释放出CPU资源,为什么JVM会从主存同步到工作内存?
Ambitor
Ambitor
大圣,前面有说过 synchronized、Lock 等同步锁从实现上就必须保证 原子性和可见性,如果这两个都不能保证那就不能保证数据安全了。
孙大圣123
sleep解释的很清楚了,那synchronized同步块呢?
Ambitor
Ambitor

引用来自“小乞丐”的评论

引用来自“Ambitor”的评论

引用来自“小乞丐”的评论

@Ambitor 解释的不错,基本认同,A1 似乎不是很清晰,
我认为A1 的回答“但只是最大程度!在CPU资源一直被占用的时候,工作内存与主内存中间的同步,也就是变量的可见性就会不那么及时!”
此处我认为是jvm的自我优化所致,jvm在中一个线程在频繁使用线程栈中的变量的时候,应该只是做了use操作。并未做read - load -use操作。

同理解释sleep , 循环线程暂停、那么意味着变量使用不频繁,那么就会在使用is变量的时候去read-load-use。

new Object() 同理.

是的,的确如你所说的0

哈哈~ 问题解决的很愉快~ 574813284 QQ 下次这种奇葩问题一起讨论~
私信你微信号了哦
小乞丐
小乞丐

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@Ambitor 解释的不错,基本认同,A1 似乎不是很清晰,
我认为A1 的回答“但只是最大程度!在CPU资源一直被占用的时候,工作内存与主内存中间的同步,也就是变量的可见性就会不那么及时!”
此处我认为是jvm的自我优化所致,jvm在中一个线程在频繁使用线程栈中的变量的时候,应该只是做了use操作。并未做read - load -use操作。

同理解释sleep , 循环线程暂停、那么意味着变量使用不频繁,那么就会在使用is变量的时候去read-load-use。

new Object() 同理.

是的,的确如你所说的0

哈哈~ 问题解决的很愉快~ 574813284 QQ 下次这种奇葩问题一起讨论~
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