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Java線程安全兼談DCL

系統 2122 0

轉載自 ---- http://www.iteye.com/topic/875420

????? 如果你搜索網上分析dcl為什么在java中失效的原因，都會談到編譯器會做優化云云，我相信大家看到這個一定會覺得很沮喪、很無助，對自己寫的 程序很沒信心。我很理解這種感受，因為我也經歷過，這或許是為什么網上一直有人喜歡談dcl的原因。如果放在java5之前，從編譯器的角度去解釋dcl 也無可厚非，在java5的JMM(內存模型)已經得到很大的修正，如果到現在還只能從編譯器的角度去解釋dcl，那簡直就在污辱java，要知道 java的最大優勢就是只需要考慮一個平臺。你可以完全無視網上絕大多數關于dcl的討論，很多時候他們自己都說不清楚，除Doug Lea等幾個大牛，我不相信誰比誰更權威。

很多人不理解dcl，不是dcl有多么復雜，恰恰相反，而是對基礎掌握得不夠。所以，我會先從基礎講起，然后再分析DCL。

我們都知道，當兩個線程同時讀寫(或同時寫)一個共享變量時會發生數據競爭。那我怎么才能知道發生了數據競爭呢？我需要去讀取那個變量，發生數據 競爭通常有兩個表現：一是讀取到陳舊數據，即讀取到雖是曾經寫入的數據，但不是最新的。二是讀取到之前根本沒有寫入的值，也就是說讀到垃圾。

數據陳舊性

為了讀取到另一個線程寫入的最新數據，JMM定義了一系列的規則，最基本的規則就是要利用同步。在Java中，同步的手段有synchronized和volatile兩種，這里我只會涉及到syncrhonized。請大家先記住以下規則，接下來我會細講。

規則一：必須對變量的所有寫和所有讀同步，才能讀取到該最新的數據。

先看下面的代碼：

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. public ? class ?A?{??
  2. ???? private ? int ?some;??
  3. ???? public ? int ?another;??
  4. ??
  5. ???? public ? int ?getSome()?{? return ?some;?}??
  6. ???? public ? synchronized ? int ?getSomeWithSync()?{? return ?some;?}??
  7. ???? public ? void ?setSome( int ?v)?{?some?=?v;?}??
  8. ???? public ? synchronized ? void ?setSomeWithSync( int ?v)?{?some?=?v;?}??
  9. }??



讓我們來分析一個線程寫，另一個線程讀的情形，一共四種情形。初始情況都是a = new A()，暫不考慮其它線程。

情形一：讀寫都不同步。

Thread1 Thread2
(1) a.setSome(13)
(2) a.getSome()



Java線程安全兼談DCL

這種情況下，即使thread1先寫入some為13，thread2再讀取some，它能讀到13嗎？在沒有同步協調下，結果是不確定的。從圖 上看出，兩個線程獨立運行，JMM并不保證一個線程能夠看到另一個線程寫入的值。在這個例子中，就是thread2可能讀到0（即some的初始值）而不 是13。注意，在理論上，即使thread2在thread1寫入some之后再等上一萬年也還是可能讀到some的初始值0，盡管這在實際幾乎不可能發 生。


情形二：寫同步，讀不同步

Thread1 Thread2
(1) a.setSomeWithSync(13)
(2) a.getSome()



Java線程安全兼談DCL

情形三：讀同步，寫不同步

Thread1 Thread2
(1) a.setSome(13)
(2) a.getSomeWithSync()



Java線程安全兼談DCL

在這兩種情況下，thread1和thread2只對讀或只對寫some加了鎖，這不起任何作用，和[情形一]一樣，thread2仍有可能讀到 some的初始值0。從圖上也可看出，thread1和thread2互相之間并沒有任何影響，一方加鎖并不影響另一方的繼續運行。圖中也顯示，同步操作 相當于在同步開始執行lock操作，在同步結束時執行unlock操作。

情形四：讀寫都同步

Thread1 Thread2
(1) a.setSomeWithSync(13)
(2) a.getSomeWithSync()



Java線程安全兼談DCL

在情形四中，thread1寫入some時，thread2等待thread1寫入完成，并且它能看到thread1對some做的修改，這時 thread2保證能讀到13。實際上，thread2不僅能看到thread1對some的修改，而且還能看到thread1在修改some之前所做的 任何修改。說得更精確一些，就是一個線程的lock操作能看見另一線程對同一個對象unlock操作之前的所有修改，請注意圖中的紅色箭頭。 沿著圖中箭頭指示方向，箭頭結尾處總能看到箭頭開始處操作做的修改。這樣，a.some[thread2]能看見 lock[thread2]，lock[thread2]能看見unlock[thread1]，unlock[thread1]又能看見 a.some=13[thread1]，即能看到some的值為13。

再來看一個稍微復雜一點的例子：

例子五

Thread1 Thread2
(1) a.another = 5
(2) a.setSomeWithSync(13)
(3) a.getSomeWithSync()
(4) a.another = 7
(5) a.another



Java線程安全兼談DCL

thread2最后會讀到another的什么值呢？會不會讀到another的初始值0呢，畢竟所有對another的訪問都沒有同步？不會。 從圖中很清晰地可以看出，thread2的another至少到看到thread1在lock之前寫入的5，卻并不能保證它能看到thread1在 unlock寫入的7。因此，thread2可以什么讀到another的值可能5或7，但不會是0。你或許已經發現，如果去掉圖中thread2讀取 a.some的操作，這時相當于一個空的同步塊，對結論并沒有任何影響。這說明空的同步塊是起作用的，編譯器不能擅自將空的同步塊優化掉，但你在使用空的 同步塊應該特別小心，通常它都不是你想要的結果。另外需要注意，unlock操作和lock操作必須針對同一個對象，才能保證unlock操作能看到 lock操作之前所做的修改。

例子六：不同的鎖

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. class ?B?{??
  2. ???? private ?Object?lock1?=? new ?Object();??
  3. ???? private ?Object?lock2?=? new ?Object();??
  4. ??
  5. ???? private ? int ?some;??
  6. ??
  7. ???? public ? int ?getSome()?{??
  8. ???????? synchronized (lock1)?{? return ?some;?}??
  9. ????}??
  10. ??
  11. ???? public ? void ?setSome( int ?v)?{??
  12. ???????? synchronized (lock2)?{?some?=?v;?}??
  13. ????}??
  14. }??

?

Thread1 Thread2
(1) b.setSome(13)
(2) b.getSome()



Java線程安全兼談DCL

在這種情況下，雖然getSome和setSome都加了鎖，但由于它們是不同的鎖，一個線程運行時并不能阻塞另一個線程運行。因此這里的情形和情形一、二、三一樣，thread2不保證讀到thread1寫入的some最新值。

現在來看DCL：

例子七: DCL

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. public ? class ?LazySingleton?{??
  2. ???? private ? int ?someField;??
  3. ??????
  4. ???? private ? static ?LazySingleton?instance;??
  5. ??????
  6. ???? private ?LazySingleton()?{??
  7. ???????? this .someField?=? 201 ;????????????????????????????????? //?(1) ??
  8. ????}??
  9. ??????
  10. ???? public ? static ?LazySingleton?getInstance()?{??
  11. ???????? if ?(instance?==? null )?{??????????????????????????????? //?(2) ??
  12. ???????????? synchronized (LazySingleton. class )?{??????????????? //?(3) ??
  13. ???????????????? if ?(instance?==? null )?{??????????????????????? //?(4) ??
  14. ????????????????????instance?=? new ?LazySingleton();??????????? //?(5) ??
  15. ????????????????}??
  16. ????????????}??
  17. ????????}??
  18. ???????? return ?instance;?????????????????????????????????????? //?(6) ??
  19. ????}??
  20. ??????
  21. ???? public ? int ?getSomeField()?{??
  22. ???????? return ? this .someField;???????????????????????????????? //?(7) ??
  23. ????}??
  24. }??



假設thread1先調用getInstance()，由于此時還沒有任何線程創建LazySingleton實例，它會創建一個實例s并返回。 這是thread2再調用getInstance()，當它運行到(2)處，由于這時讀instance沒有同步，它有可能讀到s或者null（參考情形 二）。先考慮它讀到s的情形，畫出流程圖就是下面這樣的：

Java線程安全兼談DCL

由于thread2已經讀到s，所以getInstance()會立即返回s，這是沒有任何問題，但當它讀取s.someFiled時問題就發生 了。 從圖中可以看thread2沒有任何同步，所以它可能看不到thread1寫入someField的值20，對thread2來說，它可能讀到 s.someField為0，這就是DCL的根本問題。從上面的分析也可以看出，為什么試圖修正DCL但又希望完全避免同步的方法幾乎總是行不通的。

接下來考慮thread2在(2)處讀到instance為null的情形，畫出流程圖：

Java線程安全兼談DCL

接下來thread2會在有鎖的情況下讀取instance的值，這時它保證能讀到s，理由參考情形四或者通過圖中箭頭指示方向來判定。

關于DCL就說這么多，留下兩個問題：

  1. 接著考慮thread2在(2)讀到instance為null的情形，它接著調用s.someFiled會得到什么？會得到0嗎？
  2. DCL為什么要double check，能不能去掉(4)處的check？若不能，為什么？



原子性
回到情形一，為什么我們說thread2讀到some的值只可能為為0或13，而不可能為其它？這是由java對int、引用讀寫都是原子性所決 定的。所謂“原子性”，就是不可分割的最小單元，有數據庫事務概念的同學們應該對此容易理解。當調用some=13時，要么就寫入成功要么就寫入失敗，不 可能寫入一半。但是，java對double, long的讀寫卻不是原子操作，這意味著可能發生某些極端意外的情況?？蠢樱?

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. public ? class ?C?{??
  2. ???? private ? /*?volatile?*/ ? long ?x;??????????????????????????? //?(1) ??
  3. ??
  4. ???? public ? void ?setX( long ?v)?{?x?=?v;?}??
  5. ???? public ? long ?getX()?{? return ?x;?}??
  6. }??

?

Thread1 Thread2
(1) c.setX(0x1122334400112233L)
(2) c.getX()



thread2讀取x的值可能為0，1122334400112233外，還可能為別的完全意想不到的值。一種情況假設jvm對long的寫入是 先寫低4字節，再寫高4字節，那么讀取到x的值還可能為112233。但是我們不對jvm做如此假設，為了保證對long或double的讀寫是原子操 作，有兩種方式，一是使用volatile，二是使用synchronized。對上面的例子，如果取消(1)處的volatile注釋，將能保證 thread2讀取到x的值要么為0，要么為1122334400112233。如果使用同步，則必須像下面這樣對getX，setX都同步：

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. public ? class ?C?{??
  2. ???? private ? /*?volatile?*/ ? long ?x;??????????????????????????? //?(1) ??
  3. ??
  4. ???? public ? synchronized ? void ?setX( long ?v)?{?x?=?v;?}??
  5. ???? public ? synchronized ? long ?getX()?{? return ?x;?}??
  6. }??



因此對原子性也有規則(volatile其實也是一種同步）。

規則二：對double, long變量，只有對所有讀寫都同步，才能保證它的原子性

有時候我們需要保證一個復合操作的原子性，這時就只能使用synchronized。

Java代碼 ? 收藏代碼
  1. public ? class ?Canvas?{??
  2. ???? private ? int ?curX,?curY;??
  3. ??
  4. ???? public ? /*?synchronized?*/ ?getPos()?{??
  5. ???????? return ? new ? int []?{?curX,?curY?};??
  6. ??????????
  7. ????}??
  8. ??
  9. ???? public ? /*?synchronized?*/ ? void ?moveTo( int ?x,? int ?y)?{??
  10. ????????curX?=?x;??
  11. ????????curY?=?y;??
  12. ????}??
  13. }??

?

Thread1 Thread2
(1) c.moveTo(1, 1)
(2) c.moveTo(2, 2)
(3) c.getPos()



當沒有同步的情況下，thread2的getPos可能會得到[1, 2], 盡管該點可能從來沒有出現過。之所以會出現這樣的結果，是因為thread2在調用getPos()時,curX有0,1或2三種可能，同樣curY也有 0,1或2三種可能，所以getPos()可能返回[0,0], [0,1], [0,2], [1,0], [1,1], [1,2], [2,0], [2,1], [2,2]共九種可能。要避免這種情況，只有將getPos()和moveTo都設為同步方法。

總結
以上分析了數據競爭的兩種癥狀，陳舊數據和非原子操作，都是由于沒有恰當同步引起的。這些其實都是相當基礎的知識，同步可有兩種效果：一是保證讀 取最新數據，二是保證操作原子性，但是大多數書籍都對后者過份強調，對前者認識不足，以致對多線程的認識上存在很多誤區。如果想要掌握java線程高級知 識，我只推薦《Java并發編程設計原則與模式》。其實我已經好久沒有寫Java了，這些東西都是我兩年前的知識，如果存在問題，歡迎大家指出，千萬不要 客氣。

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