Java线程可见性——加一句System.out.println

今天突然想起一个以前有人提到过的问题，大概就是A线程持有一个引用类型b变量（不加valotile或者final），A通过检查b的状态来控制A线程的循环退出，然后主线程通过引用修改了b的值，按理说因为A线程的b变量（真正的b实际上还在堆里面）被拷贝到线程内存里面，无法察觉到主线程对b的修改，运行结果的确是这样，只要主线程不结束（阻塞住），A线程就会一直阻塞住。然后问题来了，如果在A线程的循环里面加一个System.out.print/println，随便输出什么都好，A居然可以察觉到主线程对b的修改了！

测试代码如下：

@Test
public void test() throws InterruptedException {
    A a = new A();
    new Thread(a).start();
    Thread.sleep(3000);
    a.b = 2;
    //阻塞住主线程
    while (true){}
}

private class A implements Runnable{

    public Integer b = 1;

    @Override
    public void run() {
        while (true){
//                System.out.println(b);
            if(b.equals(2))
                break;
        }

        System.out.println("A is finished!");
    }
}

如果把注释掉的那行System.out.println应用上，就会发现A可以结束。

我一开始以为是因为输出b，控制台有特别的操作（例如会去主内存看一下）？后来再换个变量输出，发现输出什么A依然可以结束，无奈之下去stackoverflow提问一下，结果被人标注问题重复了(゜▽゜*)，然后给了我那个问题的链接

Boann回答得很详细，原因是System.out.print里面有加锁！而jvm对于这个加锁操作，会做一件事，不缓存线程变量！这样一切都说得通了，不拷贝就不存在可见性问题了。

public void println(String x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

根据这个说明，修改一下原来的代码，把输出语句换成对当前对象加锁

while (true){
            synchronized (this){
                if(b.equals(2))
                    break;
            }
}

果然A可以结束了（察觉到b的修改）。

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到这里其实已经挺不错了，但是好奇心重，又试了下其他操作，结果一发不可收拾.....

不获取线程对象的锁，加个c，获取c的锁

private String c = "123";

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            synchronized (c){
                if(b.equals(2))
                    break;
            }
}

这样也可以，再换个操作

    @Override
    public void run() {
        synchronized (this) {
            while (true) {
                if (b.equals(2))
                    break;
            }
        }
        System.out.println("A is finished!");
    }

结果出人意料的是， 这样就不行了~

如果单看源代码，上面这种和一开始我们修改的没什么区别，前者和后者的唯一区别就是while的获取锁的顺序不一样，也看不出有什么不同的地方。回顾一下，加System.out.println（加锁）使jvm不cache局部变量，那先加锁再while肯定是cache变量b了。这里我们从字节码上分析下执行过程，因为源代码和编译后的字节码差距是很大的，这里通过javap命令查看两个文件的字节码的区别（对虚拟机不太了解的同学可以去看一下深入理解JVM了）。

首先是先while再获取锁的字节码，也就是A可以结束，即b对于A可见（只关注run方法）

public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: aload_0
         5: getfield      #3                  // Field b:Ljava/lang/Integer;
         8: iconst_2
         9: invokestatic  #2                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        12: invokevirtual #4                  // Method java/lang/Integer.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
        15: ifeq          23
        18: aload_1
        19: monitorexit
        20: goto          36
        23: aload_1
        24: monitorexit
        25: goto          33
        28: astore_2
        29: aload_1
        30: monitorexit
        31: aload_2
        32: athrow
        33: goto          0
        36: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        39: ldc           #6                  // String A is finished!
        41: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        44: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    20    28   any
            23    25    28   any
            28    31    28   any
      LineNumberTable:
        line 17: 0
        line 18: 4
        line 19: 18
        line 20: 23
        line 22: 36
        line 23: 44

接着是先获取锁再while的字节码

 public void run();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: aload_0
         5: getfield      #3                  // Field b:Ljava/lang/Integer;
         8: iconst_2
         9: invokestatic  #2                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        12: invokevirtual #4                  // Method java/lang/Integer.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
        15: ifeq          4
        18: goto          21
        21: aload_1
        22: monitorexit
        23: goto          31
        26: astore_2
        27: aload_1
        28: monitorexit
        29: aload_2
        30: athrow
        31: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        34: ldc           #6                  // String A is finished!
        36: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        39: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    23    26   any
            26    29    26   any
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 18: 4
        line 19: 18
        line 21: 21
        line 22: 31
    line 23: 39

注意这两个的Code部分15字节码ifeq，就算不了解这些字节码指令是什么意思也大概能猜到。照顾一下没看过JVM的同学，简单说明一下，对于每个方法来说，一个方法的执行对应着都是一个方法栈的入栈出栈，例如i++就是把i压入栈，i出栈加1后再压入栈，最后i出栈赋给原来的i。因此基本所有的操作都是基于栈来进行。

这里先说一下我们关注的几个指令

• aload_n:把索引为n的变量从主内存中并放入工作内存的变量的副本中（cache），索引为0的是this，所以aload_0是把this压入栈
• ifeq:弹出栈顶元素并判断是否等于0，如果等于0跳到后面指定的指令
• goto:知道c语言和java的goto的话，这个指令意思一样，跳到后面指定的指令

JVM指令

Oracle的JVM指令说明

关于aload

为了说明方便，我们定义先while后加锁的是Code1，先加锁后while的是Code2，指令序号n对应的指令是Pn

先看Code1。在P8，9，12执行Integer.equals方法后，把比对结果（java底层true和false也是用1和0表示）压入栈，P15ifeq判断栈顶元素是否为0(if条件运算符判断结果为false，即b!=2)，Code1中ifeq后跳P23aload_1，P23从本地变量b（对于JVM来说，b是一个引用）压入栈中（不cache b），下一条指令P19释放锁后，P20goto跳到P33，P33又跳回了P0，重新执行while。相对应的Code2也按上面的步骤看，总结一下Code1和Code2

Code1指令	Code1	Code2指令	Code2
P8,P9,P12	执行equals方法	P8,P9,P12	执行equals方法
ifeq	只关注false的情况	ifeq	只关注false的情况
aload_1	从局部变量获取引用b后压入栈	P4 aload_0	把this压入栈
monitorexit	释放锁	P5 getfield	获取this.b的值后压入栈顶 （cached b）
P25,P33 goto	最后跳到P0	P8,P9,P12	while循环继续
P2,P3,P4,P5,P8,P9...	astore_1后获取锁继续while循环

对比一下，Code1和Code2在if判断失败后继续循环前，Code1多了一个aload_1，这里就是重新检肃了b引用，甚至在循环尾部都还astore_1一次，所以Code1并没有cache b，而Code2始终都没有重新检索b，所以Code1能看到b的变化，Code2就不能。至于JVM为什么会分别处理，这就不知道了- -

水平有限，若有错误地方望指出