同步锁之外的 Java 内存可见性

Java memory visibility outside the synchronized lock

提问人：Anonemous 提问时间：9/25/2023 最后编辑：Anonemous 更新时间：9/25/2023 访问量：101

问：

同步锁是否保证以下代码始终打印“END”？

public class Visibility {

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread_1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(i);
                while (true) {
                    if (i == 1) {
                        System.out.println("END");
                        return;
                    }
                    synchronized (Visibility.class){}
                }
            }
        });
        thread_1.start();
        Thread.sleep(1000);
        synchronized (Visibility.class) {
            i = 1;
        }
    }
}

我在我的笔记本电脑上运行它，它总是打印“END”，但我想知道 JVM 是否保证此代码将始终打印“END”？

此外，如果我们在空块内添加一行，它就变成了：synchronized

public class Visibility {

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread_1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(i);
                while (true) {
                    if (i == 1) {
                        System.out.println("END");
                        return;
                    }
                    synchronized (Visibility.class){
                        int x = i; // Added this line.
                    }
                }
            }
        });
        thread_1.start();
        Thread.sleep(1000);
        synchronized (Visibility.class) {
            i = 1;
        }
    }
}

现在，JVM是否保证此代码将始终打印“END”？

Java 多线程 同步 Memory-Barrier 内存可见性

评论

1赞 Maurice Perry 9/25/2023
为什么是空块？synchronized
0赞 Anonemous 9/25/2023
@MauricePerry 如果没有空的同步块，代码将始终运行并且永远不会退出。
0赞 Maurice Perry 9/25/2023
它接缝你的目标是保护。所以我你应该把测试放在块内。isynchronized
0赞 Anonemous 9/25/2023
@MauricePerry 我想知道为什么空的使代码退出？synchronized
1赞 Joachim Sauer 9/25/2023
AFAIK 这是一种副作用，不能保证。如果未声明，则无法保证循环内部的观测值会发生变化。在许多情况下（使用当前的 OpenJDK 实现）它会变得可见，但这些情况不是规范所保证的。ivolatilei

答：

4赞 rzwitserloot 9/25/2023 #1

根据 JLS §17.4.5：在顺序之前发生：

如果 hb（x， y） 和 hb（y， z），则 hb（x， z）。

换句话说，HB（Happens-before）是传递的。HB 是可观测性的主要参与者：如果 - 而这正是您要做的（或者更确切地说，防止发生），则不可能像执行 X 行之前那样观察 Y 行中的状态： 您感兴趣的是行 Y （） 是否可以观察行 X 之前的状态 （， 在代码段底部的同步块中）。hb(x, y)if (i == 1)i = 1

鉴于传递性规则，特定代码段的答案是“是” - 您可以保证它打印 .在将一个特定片段的分析外推到更一般的情况时，请始终小心 - 这些东西不容易简化，您必须每次都应用 happens-before 分析（或者，更常见的是，通过字段写入尽可能多地避免线程之间的交互）：END

  • hb(exiting a synchronized block, entering it)是一回事。获取监视器的不同线程是有序的，并且它们之间存在 HB 关系。因此，线程中的倒数第二个（退出块）1 和零语句块之间存在 hb 关系。}synchronized

  • 如果内部线程之后以某种方式运行（很奇怪，因为这意味着它甚至需要 1 秒以上的时间才能启动，但从技术上讲，JVM 不做时序保证，所以理论上是可能的），已经是 1。此更改可能尚未“同步”，除非 while 循环命中了该无内容块，然后建立了 hb，从而强制可见性 存在 。isynchronizedi1

  • 如果内线程之前运行（100% 的所有情况，那里有什么，差不多），那么最终适用相同的逻辑。Thread.sleep(1000)

  • 为了真正将它们加在一起，我们需要添加“自然”hb 规则：字节码 X 和 Y 确定 X 和 Y 是否由同一线程执行，并且 Y 是否按程序顺序在 X 之后。即给定：你不能像以前一样观察 y 存在 - 这是“咄！HB 规则 - 当然，如果 JVM 可以随意在单个线程中重新排序内容，那么 java 作为一门语言将毫无用处。那+传递性规则就足够了。hb(x, y)y = 5; System.out.println(y)y = 5;

这里有一个技术问题

您启动的线程永远不会自愿放弃，这可能会造成一些破坏（该代码中的任何内容都不会“休眠”CPU）。你永远不应该编写像这样繁忙旋转的代码，JVM 当时对事情是如何工作的不是特别清楚，这会导致 CPU 出现巨大的热量/功率问题！在单核处理器上，JVM 基本上被允许将所有时间都花在繁忙的等待上，永远，这是使 JVM 永远不打印的一种方法：因为设置为 1 的主线程永远不会绕过它。这打破了线程的一般要点。 引入了一个保存点，因此它最终会被抢占，但这可能需要相当长的时间。在正确的硬件上，它可能需要远远超过一秒钟的时间。ENDisynchronized

通过在繁忙循环中推入某种或，或使用锁/信号灯/等来轻松修复。sleepwaitj.u.concurrent

但是这个空块不会被优化出来吗？synchronized

不。JLS 几乎决定了必须产生什么的字节。不允许优化空循环。它是热点引擎（即 - 运行时）可以做一些事情，比如“哦，这个循环没有我应该保证的可观察效果，因此，我可以完全优化整个事情”，而 JMM 17.4.5 表明它不能这样做。如果 JVM 实现“优化它”，那将是错误的。javacjava.exe

我们可以通过以下方式确认这一点：javap

> cat Test.java
class Test {
  void test() {
    synchronized(this) {}
  }
}
> javac Test.java; javap -c -v Test
[ ... loads of output elided ...]
3: monitorenter
4: aload_1
5: monitorexit

monitorenter是块中左大括号的字节码，是右大括号的字节码（或任何其他控制流出一个 - 异常抛出和//也使发出字节码。synchronized (x){}monitorexitbreakcontinuereturnjavacmonitorexit

结束语

我认为这个问题是本着这样的精神提出的：所以......这里会发生什么？不是本着“这样写好吗”的精神。这是不行的 - 除了旋转循环（从来都不是好事），迫使读者进行鹅追逐，确定 HB 实际上是为确保此代码执行您认为它所做的，并且需要有关 HB 规则集的多个详细信息（同步的东西和传递性规则以及空同步块没有被优化的知识） - 更不用说明显的一些奇怪的代码（一个空的同步块），尽管如此这里确实有一个功能，这些都不是特别可维护的。完成此特定工作的正确方法很可能是使用简单的锁 from ，或者至少移动块以包含块中的所有内容。此外，锁定你直接控制之外的代码可以获取的东西（并且，微不足道的是，一个全局单例）是一个非常糟糕的主意：唯一不间断的方法是广泛记录你的锁定行为（因此，你现在已经注册无限期地维护该行为，或者如果你改变它，你被迫发布一个主要版本（即向后不兼容）。你几乎总是想锁定你控制的东西——即 - 不可能在您的直接控制之外引用的对象。java.util.concurrentsynchronizedwhileVisibility.classprivate final Object lock = new Object[0];

[1] 从技术上讲，HB 是 JVM 事务，适用于字节码。然而，这个右大括号确实有一个等价的字节码（大多数右大括号没有;那个有）：它是显示器的释放（“释放”锁）。这恰恰是 HB 的字节码，相对于同一锁对象的后续排序获取。synchronized

评论

0赞 Joachim Sauer 9/25/2023
一如既往的详细答案。唯一的小问题：我会更明确地说明“答案是否定的”是什么意思，因为这在很大程度上取决于问题的具体措辞，有时问题不清楚他们以哪种方式表达它（或在整个问题中使用不同的措辞）。
0赞 rzwitserloot 9/25/2023
@JoachimSauer，通过将其更改为“是”，我已经对我的一点限定了，你知道，在眼球和大脑神经元之间，问题变成了“这段代码有问题吗？”，但实际问题是：“它能保证打印'END'吗”。对于这个非常具体的代码，我理解 JMM 的方式就是这样，是的，这是一种保证。对于安可，我添加了一个附录，深入研究了块的空性是否是一个问题。事实并非如此。nosynchronized
0赞 Anonemous 9/25/2023
感谢您的精彩回答，还有一个问题，如果我们在空处添加一行，它会变成：，现在 JVM 是否保证它将始终打印“END”？synchronizedsynchronized (Visibility.class){ int x = i;}
0赞 rzwitserloot 9/25/2023
@Anonemous我以一种相当关键的方式编辑了答案 - 它保证始终打印 END。“不”的意思是：“不，这段代码没有 JMM 问题”。

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