멀티 스레드 환경에서 Java 명령 재정렬을 해결하는 방법

1. 머리말

명령 재배치는 단일 스레드 환경에서 프로그램의 실행 효율성을 향상시키는 데 도움이 되며 다중 스레드 환경에서는 프로그램에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 명령 재정렬은 프로그램에 예상치 못한 오류를 가져옵니다. .

2. 문제 복구

(1) 연관 변수

다음은 명령어 재배열을 100% 복구할 수 있는 예입니다.

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. 결과 예측

reader 메서드는 flag 변수가 true인 경우에만 a 변수의 값을 콘솔에 출력합니다. . 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

writer 메소드는 먼저 a 변수의 할당 작업을 수행한 다음 flag 변수의 할당 작업을 수행합니다.

위의 분석 로직을 따르면 콘솔에서 출력되는 결과는 모두 1이어야 합니다.

2. 명령어 재배열

코드에 명령어 재배열이 없으면 flag 변수가 true일 때 변수 a는 1이어야 합니다.

위 코드에서는 a 변수와 flag 변수와 관련하여 두 메소드 클래스 모두에 명령 재배열이 있습니다.

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

로그 출력을 관찰한 결과 0개의 출력이 많이 있는 것을 발견했습니다.

writer 메서드 내에서 명령을 재배치하면 flag 변수가 먼저 할당됩니다. 이때 현재 스레드가 중단되면 다른 스레드가 를 호출합니다. reader 메소드는 flag 변수가 true인지 감지한 다음 변수 a의 값을 인쇄합니다. 이때 콘솔에서는 기대치를 초과하는 결과가 나오고 있습니다.

(2) New는 객체를 생성합니다

new 키워드를 사용하여 객체를 생성하는 경우 비원자적 연산으로 인해 명령어 재배치가 발생하며 멀티 스레드 환경에서는 부정적인 영향을 미칩니다.

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));
        }
    }
}

1. 생성 과정 분석

new 키워드를 사용하여 객체를 생성하는데, 이는 대략 다음과 같은 과정으로 나뉩니다.

• 스택 공간에 참조 주소 생성

• 클래스 사용 파일을 템플릿으로 만들어 힙 공간 메모리

멤버 변수 초기화

생성자 초기화 사용

왼쪽 저장소 변수에 참조 값 할당

🎜🎜2. 🎜🎜위의 예에서는 첫 번째 스레드가 동기화된 코드 블록을 입력하고 객체 생성을 시작한다고 가정합니다. 재정렬의 존재로 인해 스택 공간에 참조 주소가 생성된 후 정상적인 객체 생성 프로세스가 중단될 수 있습니다. , 왼쪽 저장 변수에 기준값을 할당한 후 CPU 스케줄링 시간으로 인해 칩 소모로 인해 인터럽트가 발생합니다. 🎜🎜후속 스레드에서 인스턴스 변수가 비어 있지 않음을 감지하면 해당 변수가 직접 사용됩니다. 싱글톤 개체는 인스턴스화되지 않기 때문에 직접 사용하면 예상치 못한 결과가 발생합니다. 🎜🎜3. 명령어 재배열 대처🎜🎜 (1) AtomicReference 원자 클래스🎜🎜Atomic 클래스를 사용하여 관련 변수 집합을 객체로 캡슐화하고 원자 연산의 특성을 활용하여 명령어 재배열 문제를 효과적으로 방지합니다. 🎜

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;
}

🎜원자 클래스는 멀티 스레드 환경에서 명령 재배열 문제를 해결하기 위한 첫 번째 선택이어야 합니다. 이해하기 쉬울 뿐만 아니라 스레드 간에 사용되는 비중이 큰 뮤텍스 잠금이 상대적으로 효율적입니다. 🎜rrreee🎜🎜관련 변수 그룹에 대해 명령어를 재배열할 때 원자 연산 클래스를 사용하는 것이 더 나은 솔루션입니다. 🎜🎜🎜 (2) 휘발성 키워드 🎜rrreee🎜 4. 명령어 재배열의 이해 🎜🎜1. 명령어 재배열은 널리 퍼져 있습니다. 🎜🎜 명령어 재배치는 실제로 Java 프로그램에만 국한되지 않습니다. 실제로 다양한 컴파일러에 명령어 재배치가 있습니다. 작업 범위는 소프트웨어에서 CPU까지입니다. 하드웨어. 명령어 재배열은 단일 스레드 프로그램의 성능 최적화입니다. 명령어 재배열이 단일 스레드 환경에서 순차적 프로그램 실행의 예상 결과를 변경하지 않는다는 점은 분명합니다. 🎜🎜2. 멀티 스레드 환경에서의 명령어 재배열🎜🎜위에서는 두 가지 일반적인 멀티 스레드 환경에서의 명령어 재배열에 대해 논의하고 각각의 부정적인 영향을 분석하고 대책을 제시했습니다. 🎜🎜🎜🎜관련 변수의 경우 먼저 개체로 캡슐화한 다음 원자 클래스를 사용하여 작동합니다. 🎜🎜🎜🎜새 개체의 경우 휘발성 키워드를 사용하여 대상 개체를 수정합니다.🎜🎜🎜🎜3. do with reordering🎜 🎜동기화 잠금은 뮤텍스 잠금을 사용하여 스레드가 순서대로 특정 코드 블록에 액세스하도록 합니다. 코드 블록 내부의 코드는 일반적으로 컴파일러가 구현한 전략에 따라 재정렬됩니다. 🎜🎜동기화 잠금은 다중 스레드 환경에서 재정렬로 인한 역효과를 방지할 수 있지만 뮤텍스 잠금으로 인해 발생하는 스레드 오버헤드는 상대적으로 크기 때문에 권장되지 않습니다. 🎜🎜🎜동기화된 블록의 비원자적 작업으로 인해 여전히 명령어 재배열이 발생할 수 있음🎜🎜

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