Java中的易失性数组和内存屏障以及可见性

Question

我很难理解 Java 中的内存屏障和缓存一致性，以及这些概念与数组的关系。

我有以下场景，一个线程修改一个数组（对它的引用和它的一个内部值），另一个线程从它读取。

int[] integers;
volatile boolean memoryBarrier;

public void resizeAndAddLast(int value) {
    integers = Arrays.copyOf(integers, integers.size + 1);
    integers[integers.size - 1] = value;
    memoryBarrier = true;
}

public int read(int index) {
    boolean memoryBarrier = this.memoryBarrier;
    return integers[index];
}

我的问题是，这是否符合我的想法，即“发布”到memoryBarrier 并随后读取变量强制缓存一致性操作，并确保读取器线程确实会得到 both 最新的数组引用和指定索引处的正确基础值？

我的理解是数组引用不必声明为volatile，它应该足以使用any volatile 字段强制执行缓存一致性操作。这个推理正确吗？

编辑：恰好有一个写入线程和许多读取线程。

Answer 1

不，您的代码是线程不安全的。使其安全的变体如下：

void raiseFlag() {
   if (memoryBarrier == true)
     throw new IllegalStateException("Flag already raised");
   memoryBarrier = true;
}

public int read(int index) {
  if (memoryBarrier == false)
     throw IllegalStateException("Flag not raised yet");
  return integers[index];
}

您只能升旗一次，并且不能发布多个integers 数组。不过，这对您的用例来说毫无用处。

现在，至于为什么...您不能保证在read() 的第一行和第二行之间没有对integers 的干预写入，这是由第二行。缺少内存屏障不会阻止另一个线程观察一个动作。它使结果未指定。

有一个简单的习惯用法可以使您的代码线程安全（专门用于假设单个线程调用resizeAndAddLast，否则需要更多代码和AtomicReference）：

volatile int[] integers;

public void resizeAndAddLast(int value) {
    int[] copy = Arrays.copyOf(integers, integers.length + 1);
    copy[copy.length - 1] = value;
    integers = copy;
}

public int read(int index) {
    return integers[index];
}

在此代码中，一旦数组发布，您就永远不会接触它，因此无论您从 read 取消引用，都将按照预期进行观察，并更新索引。

Answer 2

一般来说它不起作用的原因有很多：

• Java 没有说明内存屏障或顺序 不相关变量。全局内存屏障是一个副作用 x86
• 即使有全局内存屏障：数组引用和索引数组值的写入顺序未定义。保证两者都发生在内存屏障之前，但是以什么顺序？非同步读取可能会看到引用，但看不到数组值。在多次读/写的情况下，您的读屏障在这里没有帮助。
• 注意引用数组：引用值的可见性需要特别注意

更好的方法是将数组本身声明为 volatile并将其值视为不可变：

volatile int[] integers; // volatile (or maybe better AtomicReference)

public void resizeAndAddLast(int value) {
    // enforce exactly one volatile read!
    int[] copy = integers;
    copy = Arrays.copyOf(copy, copy.size + 1);
    copy[copy.size - 1] = value; 
    // may lose concurrent updates. Add synchronization or a compareExchange-loop!
    integers = copy;
}

public int read(int index) {
    return integers[index];
}

Answer 3

除非您声明变量volatile，否则无法保证线程将获得正确的值。易失性保证变量的变化是可见的，而不是使用 CPU 缓存，它将从主内存写入/读取。 您还需要synchronization，以便在写入完成之前读取线程不会读取。有什么理由使用数组而不是 ArrayList 对象，因为您已经在使用 Arrays.copyOf 并调整大小？