在并发Java应用程序中检测可见性错误

了解什么是可见性错误，为什么会发生，以及如何在并发Java应用程序中查找难以捉摸的可见性错误。这些问题你可能也遇到过，当在优锐课学习了一段时间后，我对这些问题有了一定见解，写下这篇文章和大家分享。

检测可见性错误的机会各不相同。在最佳情况下，可以在所有情况的90％中检测到以下可见性错误。在最坏的情况下，检测错误的机会低于百万分之一。

但是首先，什么是可见性错误？

什么是可见性错误？

当线程读取陈旧值时，会发生可见性错误。在以下示例中，一个线程向另一个线程发出信号以停止其while循环的处理：

 public class Termination {

    private int v;

    public void runTest() throws InterruptedException   {

        Thread workerThread = new Thread( () -> {

            while(v == 0) {

                // spin

            }

        });

        workerThread.start();

        v = 1;

        workerThread.join();  // test might hang up here

    }

  public static void main(String[] args)  throws InterruptedException {

        for(int i = 0 ; i < 1000 ; i++) {

            new Termination().runTest();

        }

    }

 }

错误是工作线程可能永远不会看到变量v的更新，因此将永远运行。

读取过时的值的原因之一是CPU内核的缓存。现代CPU的每个内核都有自己的缓存。因此，如果读取和写入线程在不同的内核上运行，则读取线程将看到缓存的值，而不是写入线程写入的值。下面显示了超级用户答案给出的Intel Pentium 4 CPU内部的内核和缓存：

Intel Pentium 4 CPU的每个核心都有自己的1级和2级缓存。所有内核共享一个大的3级缓存。这些缓存的原因是性能。下列数字显示了访问内存所需的时间，摘自《计算机体系结构，一种定量方法》，JL Hennessy，DA Patterson，第5版，第72页：

CPU寄存器〜300皮秒
1级缓存〜1纳秒
主内存〜50-100纳秒

读取和写入普通字段不会使高速缓存无效，因此，如果不同内核上的两个线程读取和写入同一变量，则它们将看到陈旧的值。让我们看看是否可以重现此错误。

如何重现可见性错误

如果你运行了上面的示例，则很有可能该测试无法挂断。该测试只需要很少的CPU周期，因此两个线程通常都在同一内核上运行，并且当两个线程在同一内核上运行时，它们将读取和写入同一缓存。幸运的是，OpenJDK提供了jcstress工具，可以帮助进行这种类型的测试。jcstress使用多种技巧，以便测试的线程在不同的内核上运行。这里，上面的示例被重写为jcstress测试：

 @JCStressTest(Mode.Termination)

 @Outcome(id = "TERMINATED", expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "Gracefully finished.")

 @Outcome(id = "STALE", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "Test hung up.")

 @State

 public class APISample_03_Termination {

     int v;

     @Actor

     public void actor1() {

         while (v == 0) {

             // spin

         }

     }

     @Signal

     public void signal() {

         v = 1;

     }

 }

此测试来自jcstress示例。通过使用注解@JCStressTest对该类进行注解，我们告诉jcstress此类是jcstress测试。jcstress在单独的线程中运行以@Actor和@Signal注释的方法。jcstress首先启动actor线程，然后运行信号线程。如果测试在合理的时间内退出，则jcstress记录"TERMINATED"结果；否则，结果为"STALE."

jcstress使用不同的JVM参数多次运行测试用例。这是在我的开发机器（使用测试模式压力的Intel i5 4核CPU）上进行此测试的结果。

对于JVM参数-XX：-TieredCompilation，在所有情况下90％都挂起线程，但是对于JVM flags -XX:TieredStopAtLevel=1 and -Xint，该线程在所有运行中终止。

在确认我们的示例确实包含一个错误之后，我们如何解决它？

如何避免可见性错误

Java有专门的指令，可确保线程始终看到最新的写入值。易失性字段修饰符就是这样的一条指令。读取易失性字段时，可以确保线程看到最后写入的值。该保证不仅适用于字段的值，而且适用于在写入volatile变量之前由写入线程写入的所有值。从以上示例中，将字段修饰符volatile添加到字段v中，可以确保while循环始终终止，即使在使用jcstress的测试中运行也是如此。

 public class Termination {

    volatile int v;

    // methods omitted

 }

volatile字段修饰符不是给出此类可见性保证的唯一指令。例如，包java.util.concurrent中的synced语句和类提供相同的保证。Brian Goetz等人撰写的《Java Concurrency in Practice》一书很好地了解了避免可见性错误的技术。

在了解了可见性错误发生的原因以及如何重现和避免它们之后，让我们看一下如何查找它们。

如何查找可见性错误

Java语言规范第17章。线程和锁正式定义了Java指令的可见性保证。该规范定义了所谓的“先发生”关系来定义可见性保证：

“两个动作可以通过在发生之前的关系进行排序。如果一个动作在另一个发生之前，则第一个对第二个可见并且在第二个之前进行排序。”

读取和写入易失性字段会创建这样的事前关联：

“在每次对该字段进行后续读取之前，都会对易失字段（第8.3.1.4节）进行写操作。”

使用此规范，我们可以检查程序是否包含可见性错误，在规范中称为“数据争用”。

“当程序包含两个冲突访问（第17.4.1节）时，它们之间没有按事前发生的关系排序，则该程序被称为包含数据竞争。对同一变量的两次访问（读或写）被称为：如果至少有一个访问是写操作，则冲突。”

在我们的示例中，我们看到对共享变量v的读取和写入之间没有“先发生后”关系，因此该示例包含根据规范的数据竞争。

当然，这种推理可以自动化。以下两个工具使用此规则自动检测可见性错误：

ThreadSanitizer使用C ++内存模型的规则来查找C ++应用程序中的可见性错误。C ++内存模型由正式规则组成，用于指定C ++指令的可见性保证，类似于Java语言规范对Java指令所做的保证。有一个Java增强建议的草案，即JEP草案：Java Thread Sanitizer，将ThreadSanitizer包含在OpenJDK JVM中。应该通过命令行标志启用ThreadSanitizer的使用。
vmlens, 是我编写的用于测试并发Java的工具，它使用Java语言规范自动检查Java测试运行是否包含可见性错误。