Java 易失性和多线程：以下程序的所有可能输出是什么？

Question

考虑以下代码：

public class Main {
    
    public static void main(String args[]){ 
        Thread t1 = new SimpleThread();
        Thread t2 = new SimpleThread();
        t1.start();
        t2.start();
    }
    
    static class SimpleThread extends Thread {
        
        private static volatile int n = 0;
        
        public void run() {
            n++;
            int m = n;
            System.out.println(m);
        }
    }
}

该程序所有可能的输出是什么？为什么？

我想到了以下场景：

• t1 和 t2 完全执行（无论顺序如何），而不是并行执行，所以我们有

  1 2

• t1 和 t2 并行执行，在两个线程中

  n++

  都“正确”执行，但调度程序首先执行具有

  m=2

  的线程的打印，所以我们有

  2 1

• t1 和 t2 并行执行，并且都在指令

  n=0

  中读取

  n++

  ，所以我们有

  1 1

我对这些场景的理解正确吗？是否有一些我错过的场景（例如，

2 2

是否会发生以及为什么） ？

Answer 1

++

增量运算符被视为非原子

你的代码

n++

是不是原子的。或者说，我们必须假设 Java 中 Postfix 增量运算符

++

的定义。请参阅 Java 语言规范，其中没有做出线程安全 或原子性 的承诺。另请参阅 为什么 i++ 不是原子的？。

所以时间上有三个时刻：

• 从

  n

  读取当前值。 （本质上是复制该值）
• 将

  1

  添加到该值。
• 将总和存储回变量中。

这些时刻之间可能会经过任意时间。在此期间，另一个线程可以访问和/或更改变量内的值。因此第一个线程可以践踏第二个线程设置的值。

volatile

保证可见性，但不保证线程安全

private static volatile int n = 0;

那里的

static

表示应用程序中仅存在一个名为

n

的变量。

 n++;

&

int m = n;

这两条线之间可能会经过任意时间。在此期间，另一个线程可能会更改我们唯一的

n

变量的值。

顶部行中的

volatile

意味着当前线程将看到任何更改，保证。

因此，在这一对行的第一行中设置的值可能与第二行中访问的值很不同。

场景

至于您的场景：

• 是的，如果一个线程在另一个线程开始之前完成，您将得到

  1

  &

  2

  作为输出。
• 如果线程在单独的内核上同时运行，或者如果它们在单个内核上交替运行，则它们的操作可能会交错。

如果我们结合上面讨论的事实：

• 增量运算符是非原子的
• 递增线和

  m = n

  线是非原子的

…然后我们有四个与

n

相关的步骤的序列，这些步骤可能会交错：

1. 读取

   n

   的值，制作副本。
2. 增加复制值。
3. 将增量复制值写入变量

   n

   。
4. 读取变量

   n

   中的值（复制，存储在

   m

   中）。

交错场景包括：

• 1

  和

  1

  
  两个线程都从变量中读取

  0

  ，并将

  1

  写入变量。第二个作家践踏了第一个作家。控制台输出为

  1

  &

  1

  。

• 1

  &

  2

  or

  2

  &

  1

  
  一个线程读取

  0

  ，写入

  1

  ，然后读取

  1

  。另一个线程读取

  1

  并写入

  2

  ，然后读取

  2

  。没有踩踏，因为读写是连续的。但请注意，在这种情况下，连续的

  println

  调用可能不是连续的。

  println

  调用可能会交错。因此控制台输出可能按以下任一顺序：

  1

  &

  2

  或

  2

  &

  1

  。

• 2

  &

  2

  
  一个线程读取

  0

  ，并写入

  1

  ...，但其他线程读取

  1

  并写入

  2

  ...，第一个线程读取

  2

  。第一个线程写入了

  1

  ，但在为

  n

  赋值检索

  m = n

  的当前值之前，

  n

  中的值已被另一个线程更改。

您的问题中未涵盖

2

和

2

的最后一个案例。感谢 Mark Rotteveel 在评论中指出了这个案例。花了点时间才看到！

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警告：我不是这方面的专家。如需专业知识，请参阅《Java 并发实践》一书。