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關於 Java 變數的可見性問題

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來源:Ambitor,

my.oschina.net/ambitor/blog/661907?fromerr=hklzCyc2

博文前提

最近在oschina問答板塊看到了一個關於java變數在工作記憶體和主存中的可見性問題:synchorized,sleep 也能達到volatile 執行緒可見性的目的?,大致的問題描述如下:

http://www.oschina.net/question/858822_2169470

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) { } 會強制掃清主記憶體的變數值到執行緒棧?

                   2 //System.out.println(“1”); println 是synchronized 的,會強制掃清主記憶體的變數值到執行緒棧?

                   3 //sleep 會從新load主記憶體的值? 

                     //    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;  //設置is為false,使上面的執行緒結束while迴圈

            }

        }).start();

    }

}

問: 為什麼整個程式不會終止? 為什麼取消註釋中的任何一個代碼塊(1,2,3),程式才會終止?synchronized 會強制掃清住記憶體的變數值到執行緒棧? sleep 會幹什麼呢?

涉及知識解釋

  • volatile:此關鍵字保證了變數在執行緒的可見性,所有執行緒訪問由volatile修飾的變數,都必須從主存中讀取後操作,併在工作記憶體修改後立即寫回主存,保證了其他執行緒的可見性,同樣效果的關鍵字還有final。

  • synchronized:所有同步操作都必須保證 1、原子性 2、可見性,所以在同步塊中發生的變化會立馬寫回主存

  • sleep:此方法只會讓出CPU執行時間,並不會釋放鎖。

問題分析

Q1:為什麼註釋代碼後程式不會終止?

A1:因為 boolean is=true 的變數值被前面執行緒(簡稱執行緒A)加載到自己的工作記憶體,在後面的執行緒(簡稱執行緒B)改變 boolean is=false 之後不一定會立馬寫入主存(不過這道題中應該會馬上寫入主存,因為執行緒執行完 is=false之後執行緒就要退出了),即便立馬寫入了主存後執行緒A也不一定馬上load到工作記憶體中,所以程式一直不會終止?這個是我們大多數人想到的,但其實JVM針對現在的硬體水平已經做了很大程度的優化,基本上很大程度的保障了工作記憶體和主記憶體的及時同步,相當於預設使用了volatile。但只是最大程度!在CPU資源一直被占用的時候,工作記憶體與主記憶體中間的同步,也就是變數的可見性就會不那麼及時!後面會驗證結論。

Q2:為什麼取消註釋中的任何一個代碼塊(1,2,3),程式才會終止?

A2:行號為1、2的代碼有一個共同特點,就是都涉及到了synchronized 同步鎖,那麼是否像提問作者猜想的那樣synchronized會強制掃清主記憶體的變數值到執行緒棧?,以及sleep方法也會掃清主存的變數值到執行緒棧呢?,事實上我們前面說了synchronized只會保證在同步塊中的變數的可見性,而is變數並不在該同步塊中,所以顯然不是這個導致的。接下來我們在代碼i++;後面加上以下代碼:

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

    new Object();

}

再Run,程式立刻終止!為什麼?在上面的 A1 中我們已經說了即便有JVM的優化,但當CPU一直被占用的時候,資料的可見性得不到很好的保證,就像上面的程式一直迴圈做i++;運算占用CPU,而為什麼加上上面的代碼後程式就會停止呢?因為對於大量new Object()操作來說,CPU已經不是主要占時間的操作,真正的耗時應該在記憶體的分配上(因為CPU的處理速度明顯快過記憶體,不然也不會有CPU的暫存器了),所以CPU空閑後會遵循JVM優化基準,盡可能快的保證資料的可見性,從而從主存同步is變數到工作記憶體,最終導致程式結束,這也是為什麼sleep()方法雖然沒有涉及同步操作,但是依然可以使程式終止,因為sleep()方法會釋放CPU,但不釋放鎖!

結束

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