Java指令重排序在多线程环境下的应对策略

一、序言

指令重排在单线程环境下有利于提高程序的执行效率，不会对程序产生负面影响；在多线程环境下，指令重排会给程序带来意想不到的错误。

本文对多线程指令重排问题进行复原，并针对指令重排给出相应的解决方案。

二、问题复原

（一）关联变量

下面给出一个能够百分之百复原指令重排的例子。

public class D {
    static Integer a;
    static Boolean flag;
    
    public static void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }
    
    public static void reader() {
        if (flag != null && flag) {
            System.out.println(a);
            a = 0;
            flag = false;
        }
    }
}

1、结果预测

reader方法仅在flag变量为true时向控制台打印变量a的值。

writer方法先执行变量a的赋值操作，后执行变量flag的赋值操作。

如果按照上述分析逻辑，那么控制台打印的结果一定全为1。

2、指令重排

假如代码未发生指令重排，那么当flag变量为true时，变量a一定为1。

上述代码中关于变量a和变量flag在两个方法类均存在指令重排的情况。

public static void writer() {
    a = 1;
    flag = true;
}

通过观察日志输出，发现有大量的0输出。

当writer方法内部发生指令重排时，flag变量先完成赋值，此时假如当前线程发生中断，其它线程在调用reader方法，检测到flag变量为true，那么便打印变量a的值。此时控制台存在超出期望值的结果。

（二）new创建对象

使用关键字new创建对象时，因其非原子操作，故存在指令重排，指令重排在多线程环境下会带来负面影响。

public class Singleton {
    private static UserModel instance;
    
    public static UserModel getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new UserModel(2, "B");
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

@Data
@AllArgsConstructor
class UserModel {
    private Integer userId;
    private String userName;
}

1、解析创建过程

• 使用关键字new创建一个对象，大致分为一下过程：
• 在栈空间创建引用地址
• 以类文件为模版在堆空间对象分配内存
• 成员变量初始化
• 使用构造函数初始化
• 将引用值赋值给左侧存储变量

2、重排序过程分析

针对上述示例，假设第一个线程进入synchronized代码块，并开始创建对象，由于重排序存在，正常的创建对象过程被打乱，可能会出现在栈空间创建引用地址后，将引用值赋值给左侧存储变量，随后因CPU调度时间片耗尽而产生中断的情况。

后续线程在检测到instance变量不为空，则直接使用。因为单例对象并为实例化完成，直接使用会带来意想不到的结果。

三、应对指令重排

（一）AtomicReference原子类

使用原子类将一组相关联的变量封装成一个对象，利用原子操作的特性，有效回避指令重排问题。

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class ValueModel {
    private Integer value;
    private Boolean flag;
}

原子类应该是解决多线程环境下指令重排的首选方案，不仅通俗易懂，而且线程间使用的非重量级互斥锁，效率相对较高。

public class E {
    private static final AtomicReference<ValueModel> ar = new AtomicReference<>(new ValueModel());
    
    public static void writer() {
        ar.set(new ValueModel(1, true));
    }
    
    public static void reader() {
        ValueModel valueModel = ar.get();
        if (valueModel.getFlag() != null && valueModel.getFlag()) {
            System.out.println(valueModel.getValue());
            ar.set(new ValueModel(0, false));
        }
    }
}

当一组相关联的变量发生指令重排时，使用原子操作类是比较优的解法。

（二）volatile关键字

public class Singleton {
    private volatile static UserModel instance;
    
    public static UserModel getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new UserModel(2, "B");
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

@Data
@AllArgsConstructor
class UserModel {
    private Integer userId;
    private String userName;
}

四、指令重排的理解

1、指令重排广泛存在

指令重排不仅限于Java程序，实际上各种编译器均有指令重排的操作，从软件到CPU硬件都有。指令重排是对单线程执行的程序的一种性能优化，需要明确的是，指令重排在单线程环境下，不会改变顺序程序执行的预期结果。

2、多线程环境指令重排

上面讨论了两种典型多线程环境下指令重排，分析其带来负面影响，并分别提供了应对方式。

• 对于关联变量，先封装成一个对象，然后使用原子类来操作
• 对于new对象，使用volatile关键字修饰目标对象即可

3、synchronized锁与重排序无关

synchronized锁通过互斥锁，有序的保证线程访问特定的代码块。代码块内部的代码正常按照编译器执行的策略重排序。

尽管synchronized锁能够回避多线程环境下重排序带来的不利影响，但是互斥锁带来的线程开销相对较大，不推荐使用。

synchronized 块里的非原子操作依旧可能发生指令重排