关于并发访问完成时原子布尔值的奇怪行为的问题

Question

我得到了这样的代码：

public class ConcurrencyCheck {
    private volatile static AtomicBoolean top=new AtomicBoolean(false);
    private  int i=0;

    public class Toppler extends Thread{
        private final boolean bool;

        public Toppler(boolean myBool,String name) {
            super(name);
            bool=myBool;
        }

        @Override
        public void run() {
            while(!isInterrupted()){

                i++;
                synchronized (top) {
                    if (top.get() == bool) top.set(!top.get());
                    System.err.println(super.getName() + "  "+ bool +"->" + top + ". i is " + i);
                }

                try {
                    sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    break;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConcurrencyCheck cc = new ConcurrencyCheck();
        Thread t1= cc.new Toppler(true,"thread1");
        Thread t2= cc.new Toppler(false,"thread2");
        Thread t3= cc.new Toppler(true,"thread3");
        Thread t4= cc.new Toppler(false,"thread4");
        Thread t5= cc.new Toppler(true,"thread5");
        Thread t6= cc.new Toppler(false,"thread6");
        Thread t7= cc.new Toppler(true,"thread7");
        Thread t8= cc.new Toppler(false,"thread8");
        t1.start();
        ...
        t8.start();
        sleep(950);
        t1.interrupt();
        ...
        t8.interrupt();
    }
}

它旨在检查 AtomicBoolean 的工作原理。类 Toppler 是一个定期推翻 Atomic 布尔值的线程。推翻布尔值的代码块是同步的。正如我猜想的那样，每个输出行都必须推翻“top”变量的值，所以输出必须是“true->false false->true true->false ...”。但出于某种原因，有时我会看到这样的输出：

thread1  true->false. i is 1
thread8  false->true. i is 8
thread7  true->false. i is 8
thread4  false->true. i is 8
thread6  false->true. i is 8
thread3  true->false. i is 8
thread5  true->false. i is 8
thread2  false->true. i is 8
thread1  true->false. i is 9
thread8  false->true. i is 10
thread7  true->false. i is 11
thread4  false->true. i is 12
thread6  false->true. i is 13
thread3  true->false. i is 14

问题是：为什么两个后续的 false->true 或 true->false 输出行是可能的？

Answer 1

tl;博士

你问：

问题是：为什么两个后续的 false->true 或 true->false 输出行是可能的？

两个原因：

• 您不能期望线程以任何特定的顺序运行。 JVM 和主机操作系统会随心所欲地为 CPU 内核上的执行时间安排线程，这对我们来说是不可预测的。
• 我怀疑对System.err.println 的调用（例如System.out.println）不总是按时间顺序出现在控制台上。

➥ 如果您想协调线程之间的活动，例如以特定模式交替工作，您必须采取额外的步骤。

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您的实验代码的目标对我来说不是很清楚。显然，每个任务都是用一个目标布尔值构造的。如果该任务发现当前标志变量top 与我们的目标布尔值匹配，那么我们将top 翻转到相反的位置。

至于1、8、7、4等编号顺序的线程交错，这是意料之中的。无法预测线程的执行顺序。接下来调度哪个线程在 CPU 内核上执行，以及执行多长时间，取决于 JVM 和主机操作系统，具体取决于它们的算法和当前运行时条件。永远不要期望一组线程以特定的顺序运行。

您的代码有几个问题。

一个是您正在递增一个名为i 的共享int 变量，而没有并发保护。您将 int 声明为 ConcurrencyCheck 的类成员，然后在每个线程中调用 i++。递增i 的代码不是thread-safe，而是跨线程共享可变资源。这就是为什么您看到那里的价值观失败的原因。您应该使用AtomicInteger 来增加计数器。

关于synchronized (top) {，无需将代码synchronized 标记为您当前编写的代码。使用AtomicBoolean 而不仅仅是Boolean 的原因是为了自动线程安全，无需synchronized。但是，您正在尝试同时做一些其他事情：增加一个计数器，并使用当前值报告您的进度。因此，出于那个的原因，要将多个其他操作以原子方式组合在一起，您确实需要synchronized，但您确实不需要需要@ 987654340@ 仅用于单独使用AtomicBoolean。

关于if (top.get() == bool) top.set(!top.get());，您应该使用AtomicBoolean 上的一种复杂方法以原子方式执行获取和设置类型的操作。这就是AtomicBoolean 的工作，让这些操作成为原子操作。具体来说，我相信您正在寻找AtomicBoolean#compareAndExchange，如果找到预期值，则设置一个新值，然后返回找到的值。

您用于报告结果的消息字符串令人困惑。我会写一些更像这样的东西，根据compareAndExchange 的Javadoc 术语，您的bool var 被重命名为expectedValue。警告：我不是这里的专家，所以请验证我的逻辑并验证我对那个 Javadoc 的理解。

boolean witnessValue = top.compareAndExchange( this.expectedValue , ! this.expectedValue );
String msg = "Thread ID # " + Thread.currentThread().getId() + " expected: " + this.expectedValue + ", found: " + witnessValue + ", ended with top being: " + witnessValue + ". countAttempts: " + countAttempts + "." + " Now: " + Instant.now();

关于private volatile static AtomicBoolean top，这里不需要将AtomicBoolean标记为volatile。通过初始化声明的位置，您确保已经分配了一个 AtomicBoolean 对象。您永远不会用另一个对象替换该对象，因此任何线程都不会出现 CPU 核心缓存具有不同值的可见性问题。您应该标记字段final，以防止您错误地换出另一个对象。

另一个问题是，在现代 Java 中，我们很少需要直接处理 Thread 类。执行器服务框架被添加到 Java 5 中，以减轻我们杂耍线程的苦差事。将您的任务定义为Runnable（或Callable），并将实例提交给您选择的ExecutorService 实现（请参阅Executors 类）。

不要期望您的控制台输出按时间顺序排列。至于System.err 的输出顺序，我想像System.out 一样，它不是按时间顺序排列的。我不知道这是否是由于在 println 括号内生成的消息内容和实际传递给 println 方法之间的线程被挂起，还是由于内部缓冲问题，但我可以告诉你我经常看到一系列println 调用在控制台上按时间顺序出现not。我建议 (a) 始终包括对 Instant.now 或 System.nanoTime 的调用，以及 (b) 在线程安全的 List 中收集您的消息。