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java中基本类型中,long和double的长度都是8个字节,32位(4字节)处理器对其读写操作无法一次完成,那么,JVM,long和double是原子性的吗?

JVM中对long的操作是不是原子操作?

首先,通过一段程序对long的原子性进行判断。测试程序如下:

public class LongAtomTest implements Runnable {

private static long field = 0;

private volatile long value;

public long getValue() {
return value;
}

public void setValue(long value) {
this.value = value;
}

public LongAtomTest(long value) {
this.setValue(value);
}

@Override
public void run() {
int i = 0;
while (i < 100000) {
LongAtomTest.field = this.getValue();
i++;
long temp = LongAtomTest.field;
if (temp != 1L && temp != -1L) {
System.out.println("出现错误结果" + temp);
System.exit(0);
}
}
System.out.println("运行正确");
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 获取并打印当前JVM是32位还是64位的
String arch = System.getProperty("sun.arch.data.model");
System.out.println(arch+"-bit");
LongAtomTest t1 = new LongAtomTest(1);
LongAtomTest t2 = new LongAtomTest(-1);
Thread T1 = new Thread(t1);
Thread T2 = new Thread(t2);
T1.start();
T2.start();
T1.join();
T2.join();
}

}

可以看到,程序中有两条线程t1,t2; t1,t2各自不停的给long类型的静态变量field赋值为1,-1; t1,t2每次赋值后,会读取field的值,若field值既不是1又不是-1,就将field的值打印出来

如果对long的写入和读取操作是原子性的,那么,field的值只可能是1或者-1

运行结果如下

32-bit
出现错误结果-4294967295
运行正确

可以看出,当线程t1,t2同时对long进行写的时候,long出现了既不是t1写入的值,又不是t2写入的值。可以推测,jvm中对long的操作并非原子操作。

为什么对long的操作不是原子的?

JVM内存模型中定义了8中原子操作:

  1. lock:将一个变量标识为被一个线程独占状态
  2. unclock:将一个变量从独占状态释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定
  3. read:将一个变量的值从主内存传输到工作内存中,以便随后的load操作
  4. load:把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中
  5. use:把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎,每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令
  6. assign:把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存中的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时,都要使用该操作
  7. store:把工作内存中的一个变量的值传递给主内存,以便随后的write操作
  8. write:把store操作从工作内存中得到的变量的值写到主内存中的变量

其中,与赋值,取值相关的包括 read,load,use,assign,store,write

按照这个规定,long的读写都是原子操作,与我们的实践结果相反,为什会导致这种问题呢?

对于32位操作系统来说,单次次操作能处理的最长长度为32bit,而long类型8字节64bit,所以对long的读写都要两条指令才能完成(即每次读写64bit中的32bit)。如果JVM要保证long和double读写的原子性,势必要做额外的处理。 那么,JVM有对这一情况进行额外处理吗? 针对这一问题可以参考Java语言规范文档:jls-17 Non-Atomic Treatment of double and long

  • For the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.
  • Writes and reads of volatile long and double values are always atomic.
  • Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values.*
  • Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency’s sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts.
  • Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications.

从规定中我们可以知道

  1. 对于64位的long和double,如果没有被volatile修饰,那么对其操作可以不是原子的。在操作的时候,可以分成两步,每次对32位操作。
  2. 如果使用volatile修饰long和double,那么其读写都是原子操作
  3. 对于64位的引用地址的读写,都是原子操作
  4. 在实现JVM时,可以自由选择是否把读写long和double作为原子操作
  5. 推荐JVM实现为原子操作

从程序得到的结果来看,32位的HotSpot没有把long和double的读写实现为原子操作。 在读写的时候,分成两次操作,每次读写32位。因为采用了这种策略,所以64位的long和double的读与写都不是原子操作。

在硬件,操作系统,JVM都是64位的情况下呢?

对于64bit的环境来说,单次操作可以操作64bit的数据,即可以以一次性读写long或double的整个64bit。因此我们可以猜测,在64位的环境下,long和double的读写有可能是原子操作。 在换了64位的JVM之后,多次运行,结果都是正确的

64-bit
运行正确
运行正确

结果表明,在64bit的虚拟机下,long的处理是原子性的。

文章目录
  1. 1. JVM中对long的操作是不是原子操作?
  2. 2. 为什么对long的操作不是原子的?
  3. 3. 在硬件,操作系统,JVM都是64位的情况下呢?