Атомарность.
Атомарная операция, это операция, которая выполняется полностью или не выполняется вовсе, без промежуточных состояний, видимых другим потокам. При этом атомарность не гарантирует visibility (видимость). После атомарной операции другие потоки могут прочитать устаревшее значение, из кэшей и регистров процессора или из-за переупорядочивания операций при исполнении кода.
Visibility.
Visibility это гарантия, что изменения, сделанные одним потоком, станут наблюдаемы другим. Без специальных гарантий поток может видеть устаревшие значения из кэша/регистров или из-за переупорядочивания операций. Visibility гарантируют отношения happens-before из Java Memory Model.
Давайте посмотрим на конкретные примеры.
1) Есть статическая переменная static int val;
она записывается и читается в двух потоках.
Например,
Поток1:
...
val = 11111111;
....
System.out.println(val);
Поток2:
...
val = 99999999;
....
System.out.println(val);
Есть ли какие-то проблемы с этим кодом? Если есть, то какие? Как улучшить? Какие значения могут быть напечатаны на экран?
Ответы Запись 32-битной переменной (например int) является атомарной операцией. Поэтому потоки могут видеть только три возможных значения: 0 (начальное), 11111111 или 99999999. Но атомарность не гарантирует видимость (visibility). Поэтому если переменная пишется и читается в двух потоках, ее следует сделать видимой. Иначе потоки могут видеть устаревшие значения. Чтобы переменную сделать видимой, можно использовать ключевое слово - volatile. Т.е. можно добавить в объявление переменной: static volatile int val. Есть и другие способы добиться видимости, например, добавить synchronized блоки для записи и для чтения переменной. Они тоже будут гарантировать visibility в соответствии с happens-before отношениями из JMM.
2) Есть статическая переменная static long val;
она записывается и читается в двух потоках.
Например,
Поток1:
...
val = 1111111111111111L;
....
System.out.println(val);
Поток2:
...
val = 9999999999999999L;
....
System.out.println(val);
Есть ли какие-то проблемы с этим кодом? Если есть, то какие? Как улучшить? Какие значения могут быть напечатаны на экран?
Ответы. Этот пример отличается от первого только тем, что тут переменная 64-битная. Спецификация Java допускает, что 64-битные операции могут быть не атомарными. Т.е. запись переменной может состоять из двух операций: запись старших 8 байт и младших 8 байт. При этом промежуточные состояния могут стать видимыми для других потоков. Т.е. потоки могут видеть не только три возможных значения переменной, но и другие комбинации промежуточных состояний. Например, когда первый поток запишет младшие 8 байт, а второй поток 8 старших байт, будет какая-то смесь из двух чисел в одной переменной. На современных JVM и современных операционных системах атомарность будет соблюдаться и для 64-битных операций. Но по спецификации это не гарантированно. Поэтому тут не соблюдается ни атомарность, ни видимость. Добавление volatile в данном случае будет гарантировать не только видимость, но и атомарность: static volatile long val;
3) Есть статическая переменная static int val;
В двух потоках делают инкремент переменной val:
val++;
Есть ли какие-то проблемы с этим кодом? Если есть, то какие? Как улучшить?
Ответы. Инкремент не является атомарной операцией. Поэтому потоки будут видеть промежуточные значения и некоторые инкременты будут утеряны. Например, оба потока могут прочитать значение 0, увеличить до 1 и записать оба 1. При этом по факту было две операции инкремента, просто в разных потоках, а значение стало 1, а не 2. Добавление volatile не сделает операцию атомарной. В общем случае volatile будет гарантировать только видимость, но не атомарность. Для исправления можно использовать AtomicInteger val или synchronized блоки.
AtomicInteger val = new AtomicInteger();
....
val.incrementAndGet();
....
val.get();