java可見性和原子性舉例分析

這篇文章主要講解了“java可見性和原子性舉例分析”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“java可見性和原子性舉例分析”吧！

簡介

java類中會定義很多變量，有類變量也有實例變量，這些變量在訪問的過程中，會遇到一些可見性和原子性的問題。這里我們來詳細了解一下怎么避免這些問題。

不可變對象的可見性

不可變對象就是初始化之后不能夠被修改的對象，那么是不是類中引入了不可變對象，所有對不可變對象的修改都立馬對所有線程可見呢？

實際上，不可變對象只能保證在多線程環(huán)境中，對象使用的安全性，并不能夠保證對象的可見性。

先來討論一下可變性，我們考慮下面的一個例子：

public final class ImmutableObject {private final int age;public ImmutableObject(int age){this.age=age;
    }
}

我們定義了一個ImmutableObject對象，class是final的，并且里面的唯一字段也是final的。所以這個ImmutableObject初始化之后就不能夠改變。

然后我們定義一個類來get和set這個ImmutableObject：

public class ObjectWithNothing {private ImmutableObject refObject;public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject;
    }public void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age);
    }
}

上面的例子中，我們定義了一個對不可變對象的引用refObject，然后定義了get和set方法。

注意，雖然ImmutableObject這個類本身是不可變的，但是我們對該對象的引用refObject是可變的。這就意味著我們可以調用多次setImmutableObject方法。

再來討論一下可見性。

上面的例子中，在多線程環(huán)境中，是不是每次setImmutableObject都會導致getImmutableObject返回一個新的值呢？

答案是否定的。

當把源碼編譯之后，在編譯器中生成的指令的順序跟源碼的順序并不是完全一致的。處理器可能采用亂序或者并行的方式來執(zhí)行指令（在JVM中只要程序的最終執(zhí)行結果和在嚴格串行環(huán)境中執(zhí)行結果一致，這種重排序是允許的）。并且處理器還有本地緩存，當將結果存儲在本地緩存中，其他線程是無法看到結果的。除此之外緩存提交到主內存的順序也肯能會變化。

怎么解決呢？

最簡單的解決可見性的辦法就是加上volatile關鍵字，volatile關鍵字可以使用java內存模型的happens-before規(guī)則，從而保證volatile的變量修改對所有線程可見。

public class ObjectWithVolatile {private volatile ImmutableObject refObject;public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject;
    }public void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age);
    }
}

另外，使用鎖機制，也可以達到同樣的效果：

public class ObjectWithSync {private  ImmutableObject refObject;public synchronized ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject;
    }public synchronized void setImmutableObject(int age){this.refObject=new ImmutableObject(age);
    }
}

最后，我們還可以使用原子類來達到同樣的效果：

public class ObjectWithAtomic {private final AtomicReference<ImmutableObject> refObject= new AtomicReference<>();public ImmutableObject getImmutableObject(){return refObject.get();
    }public void setImmutableObject(int age){
        refObject.set(new ImmutableObject(age));
    }
}

保證共享變量的復合操作的原子性

如果是共享對象，那么我們就需要考慮在多線程環(huán)境中的原子性。如果是對共享變量的復合操作，比如：++, -- *=, /=, %=, +=, -=, <<=, >>=, >>>=, ^= 等，看起來是一個語句，但實際上是多個語句的集合。

我們需要考慮多線程下面的安全性。

考慮下面的例子：

public class CompoundOper1 {private int i=0;public int increase(){
        i++;return i;
    }
}

例子中我們對int i進行累加操作。但是++實際上是由三個操作組成的：

1. 從內存中讀取i的值，并寫入CPU寄存器中。

2. CPU寄存器中將i值+1

3. 將值寫回內存中的i中。

如果在單線程環(huán)境中，是沒有問題的，但是在多線程環(huán)境中，因為不是原子操作，就可能會發(fā)生問題。

解決辦法有很多種，第一種就是使用synchronized關鍵字

    public synchronized int increaseSync(){
        i++;return i;
    }

第二種就是使用lock：

    private final ReentrantLock reentrantLock=new ReentrantLock();public int increaseWithLock(){try{
            reentrantLock.lock();
            i++;return i;
        }finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

第三種就是使用Atomic原子類：

    private AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger(0);public int increaseWithAtomic(){return atomicInteger.incrementAndGet();
    }

保證多個Atomic原子類操作的原子性

如果一個方法使用了多個原子類的操作，雖然單個原子操作是原子性的，但是組合起來就不一定了。

我們看一個例子：

public class CompoundAtomic {private AtomicInteger atomicInteger1=new AtomicInteger(0);private AtomicInteger atomicInteger2=new AtomicInteger(0);public void update(){
        atomicInteger1.set(20);
        atomicInteger2.set(10);
    }public int get() {return atomicInteger1.get()+atomicInteger2.get();
    }
}

上面的例子中，我們定義了兩個AtomicInteger，并且分別在update和get操作中對兩個AtomicInteger進行操作。

雖然AtomicInteger是原子性的，但是兩個不同的AtomicInteger合并起來就不是了。在多線程操作的過程中可能會遇到問題。

同樣的，我們可以使用同步機制或者鎖來保證數(shù)據(jù)的一致性。

保證方法調用鏈的原子性

如果我們要創(chuàng)建一個對象的實例，而這個對象的實例是通過鏈式調用來創(chuàng)建的。那么我們需要保證鏈式調用的原子性。

考慮下面的一個例子：

public class ChainedMethod {private int age=0;private String name="";private String adress="";public ChainedMethod setAdress(String adress) {this.adress = adress;return this;
    }public ChainedMethod setAge(int age) {this.age = age;return this;
    }public ChainedMethod setName(String name) {this.name = name;return this;
    }
}

很簡單的一個對象，我們定義了三個屬性，每次set都會返回對this的引用。

我們看下在多線程環(huán)境下面怎么調用：

        ChainedMethod chainedMethod= new ChainedMethod();
        Thread t1 = new Thread(() -> chainedMethod.setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1"));
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(() -> chainedMethod.setAge(2).setAdress("www.flydean.com2").setName("name2"));
        t2.start();

因為在多線程環(huán)境下，上面的set方法可能會出現(xiàn)混亂的情況。

怎么解決呢？我們可以先創(chuàng)建一個本地的副本，這個副本因為是本地訪問的，所以是線程安全的，最后將副本拷貝給新創(chuàng)建的實例對象。

主要的代碼是下面樣子的：

public class ChainedMethodWithBuilder {private int age=0;private String name="";private String adress="";public ChainedMethodWithBuilder(Builder builder){this.adress=builder.adress;this.age=builder.age;this.name=builder.name;
    }public static class Builder{private int age=0;private String name="";private String adress="";public static Builder newInstance(){return new Builder();
        }private Builder() {}public Builder setName(String name) {this.name = name;return this;
        }public Builder setAge(int age) {this.age = age;return this;
        }public Builder setAdress(String adress) {this.adress = adress;return this;
        }public ChainedMethodWithBuilder build(){return new ChainedMethodWithBuilder(this);
        }
    }

我們看下怎么調用：

      final ChainedMethodWithBuilder[] builder = new ChainedMethodWithBuilder[1];
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            builder[0] =ChainedMethodWithBuilder.Builder.newInstance()
                .setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1")
                .build();});
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(() ->{
            builder[0] =ChainedMethodWithBuilder.Builder.newInstance()
                .setAge(1).setAdress("www.flydean.com1").setName("name1")
                .build();});
        t2.start();

因為lambda表達式中使用的變量必須是final或者final等效的，所以我們需要構建一個final的數(shù)組。

讀寫64bits的值

在java中，64bits的long和double是被當成兩個32bits來對待的。

所以一個64bits的操作被分成了兩個32bits的操作。從而導致了原子性問題。

考慮下面的代碼：

public class LongUsage {private long i =0;public void setLong(long i){this.i=i;
    }public void printLong(){
        System.out.println("i="+i);
    }
}

因為long的讀寫是分成兩部分進行的，如果在多線程的環(huán)境中多次調用setLong和printLong的方法，就有可能會出現(xiàn)問題。

解決辦法本簡單，將long或者double變量定義為volatile即可。

private volatile long i = 0;

感謝各位的閱讀，以上就是“java可見性和原子性舉例分析”的內容了，經(jīng)過本文的學習后，相信大家對java可見性和原子性舉例分析這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！