compareAndSet 不成功操作的记忆效应答案

【问题标题】：compareAndSet memory effects of unsuccessful operationscompareAndSet 不成功操作的记忆效应
【发布时间】：2015-04-24 11:28:48
【问题描述】：

Java 通过其原子类公开 CAS 操作，例如

boolean compareAndSet(expected,update)

JavaDocs 指定 compareAndSet 操作的记忆效果如下：

compareAndSet 和所有其他读取和更新操作如 getAndIncrement 具有两者的记忆效应读取和写入 volatile 变量。

这绝对适用于成功的compareAndSet 调用。但是如果 compareAndSet 返回false，记忆效应是否也成立？

我会说不成功的compareAndSet 对应于易失性读取（因为在这种情况下必须访问原子实例的当前值），但我不明白为什么 CAS 应该执行特殊的内存屏障指令失败的案例。

问题实际上是，不成功的 CAS 是否也建立了先发生关系。考虑以下程序：

public class Atomics {
    private static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(5);
    private static int x = 0;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (x == 0) {
                ai.compareAndSet(0, 0); // returns false
            }
        }, "T1").start();

        new Thread(() -> {
            x = 1;
            ai.compareAndSet(0, 0); // returns false
        }, "T2").start();
    }
}

线程 T2（和程序）一定会终止吗？

【问题讨论】：

他们为什么不呢？
好吧，如果规范没有要求，那么 VM 可以省略执行其他必要的屏障指令。
@Dominik 我不认为你的程序一定会终止。

标签： java concurrency java-memory-model compare-and-swap

【解决方案1】：

使用volatile 读取和写入建立happens-before 关系的问题在于，这种关系仅存在于写入和后续读取。如果一个线程 T1 写入共享的 volatile 变量，而另一个线程 T2 从同一个变量中读取，则如果 T2 在 T1 写入变量之前读取该变量，则不会存在 happens-before 关系。如果决定 T1 是否在 T2 读之前写是线程调度，我们没有任何保证。

在没有额外同步的情况下处理它的一种实用方法是评估 T2 读取的实际值。如果这个值表明 T1 已经写入了新值，那么我们就有一个有效的 happens-before 关系。这就是使用volatile boolean fooIsInitialized 标志或volatile int currentPhase 计数器时的工作方式。很明显，如果写入的值与旧值相同，或者从未实际写入新值，则此方法不起作用。

您的示例程序的问题在于它推测了线程调度。它假定 T2 最终执行 cas 动作，并且在 T1 中将有一个后续迭代，其中下一个 cas 将创建 happens-before 关系。但这不能保证。它可能无法直观地理解，但如果没有同步，T1 的所有迭代都可能发生在 T2 的动作之前，即使循环是无限的。这甚至是一种有效的线程调度行为，让 T1 永远运行消耗 100% 的 CPU 时间，然后再将 CPU 时间分配给 T2，因为不能保证在 同等优先级 的线程之间进行抢占式线程切换。

但是，即使底层系统确实为 T2 分配了 CPU 时间，最终将执行这些操作，JVM 也没有必要让 T1 明白这一点，因为 T1 无法观察到 T2 曾经运行过。在现实生活中不太可能发现这一点，但答案仍然是没有保证。当有一连串动作可以让 T1 观察到 T2 运行（即更改其状态）时，情况会发生变化，但当然，该动作链会使 cas 过时。

【讨论】：

【解决方案2】：

我喜欢 Holger 的回答，并且由于技术信息会接受这一点，但我会写一个结果相同但观点不同的答案。这个程序有可能永远运行吗？是的，考虑可能的编译器重新排序。

    new Thread(() -> {
        if(x == 0){
            while (true) {
                ai.compareAndSet(0, 0); // returns false
            }
        }
    }, "T1").start();

这是可能的重新订购吗？是的。没有规则说尽管随后发生了易失性存储，但此处不会发生提升。这里唯一的规则是读取不能在下面易失性存储区执行。

编辑：我意识到问题是关于记忆效应，而不是编译器排序。我会留下这个答案，因为它可能有用但并不能真正回答问题。

【讨论】：