转自IBMdeveloperWorks中国
如果您发现您的代码99.99%的时间在单CPU上运行,但是当您按比例增加到两个或更多个CPU时,它很快就会崩溃,那么这一珍品正适合您。
这一问题不仅与Java代码在一个对称多处理器(symmetricmultipleprocessor,SMP)平台上运行的复杂程度有关,还与管道技术对“受保护的(protected)”代码的影响有关。尽管您的代码应该高效而且一致始终都很重要,但是由于SMP这样的平台将夸大存储模型中的一致性问题,因此,当您的应用程序在SMP平台上运行时尤其是如此。
虽然双if子句是解决多线程应用程序所带来的问题的一般方法,但它使您遇到“弱一致性”模型(CPU管道技术、预测执行(speculativeexecution)等等)所带来的问题(尤其是关于SMP系统)。因此,这个珍品简而言之就是:如果您的应用程序将在SMP系统上运行,那么请不要在您的代码中使用双if逻辑。现在,让我们仔细看一下这个问题的原因和机理。
双if逻辑
首先,请考虑一下把指针指向资源的下列代码,其中flag表示有无该资源:
IFflag==0
{
//noresource
setflag
acquireresource
setpointertoresource
}
ELSE
setpointertoresource
如果这段代码是可重入的(即,可以由多个线程运行它),那么它是非常危险的。请考虑一下如果一个线程在if子句的中途,此时另外一个线程发现flag已经被设置了,于是它就试图去设置一个指针指向第一个线程还未分配的资源,结果会怎样呢?幸运的是,这个问题很容易纠正,如下所示:
IFflag==0
{
//noresource
acquireresource-----A
setpointertoresource
setflag
}
ELSE
setpointertoresource
但是,现在我们又发现另外一个问题:一个线程阻塞在A点,另一个线程却因发现flag被设为0而继续执行。在这种情况下,这两个线程都执行同一段代码分配资源—这根本不是我们所希望的!然而,解决方法又是众所周知:我们只要在执行获取资源的代码时,封锁所有其它线程,如下所示:
ENTERLOCK
IFflag==0
{
//noresource
acquireresource
setpointertoresource
setflag
}
ELSE
setpointertoresource
LEAVELOCK
(请注意我使用了LOCK这一术语来保持示例简单。当然,在Java代码中是用synchronize子句内的同步代码来表示它)。
现在我们的代码是线程安全的,但还不是高效的。获取锁(或Java术语中的管程(monitor))需要很多时间,而且锁中的代码比我们需要的要多。为了纠正这一点,我们把代码改写成下面这样:
IFflag==0
{
//noresource-----A
ENTERLOCK
acquireresource
setpointertoresource
setflag
LEAVELOCK
}
ELSE
setpointertoresource
这几乎奏效了,但是我们又引入了前面的问题,一个线程在A点被中止,而另一个线程插入进来,因此造成了CPU的混乱。为了纠正这一点,我们使用著名的双if子句:
IFflag==0
{
//noresource-----A
ENTERLOCK
IFflag==0
acquireresource
setpointertoresource
setflag
ELSE
setpointertoresource
LEAVELOCK
}
ELSE
setpointertoresource
通过添加双if子句,我们已经尽了最大努力使代码线程安全而且高效。许多高级编程技术方面的书中都推荐使用双if逻辑来解决线程争用。但是双if逻辑在多个线程可以同时执行的SMP机器上并不安全。
您会说,可是某一时刻在“锁住的”那部分代码中只会有一个线程,那么会出什么问题呢?很多!这就是把这一技巧叫做“双if魔符”的原因所在。
双if魔符请考虑一下管道技术对上面这段代码的影响:
由于CPU看不到任何依赖,所以可以以任何次序执行if子句里的代码。这会影响到下面用*标出的指令。
如果flag被设为0,那么与先计算“flag”再计算flag非0情况下的指针相比,计算指针(可能会是垃圾)并抛掉它可能是更高效的做法。所以,CPU可以采用管道技术处理下面用**标出的指令。
以下又是这些代码,为说明上述观点而加上了标记:
**IFflag==0
{
//noresource
ENTERLOCK
IFflag==0
*acquireresource
*setpointertoresource
*setflag
ELSE
setpointertoresource
LEAVELOCK
}
ELSE
**setpointertoresource
尽管这似乎有点奇怪,但上面的代码可能会象下面这样执行:
**setpointertoresource
**IFflag==0
{
//noresource
ENTERLOCK
setpointertoresource
IFflag==0
*setflag
*acquireresource-----A
*setpointertoresource
ELSE
LEAVELOCK
}
ELSE
正如您所见到的,我们很敏感的代码仍在锁中,但是现在在分配资源之前设置flag。因此,请想象一下线程A正在A点附近执行,此刻另外一个线程到来了。在SMP机器上,第二个线程可以在另一个CPU上与第一个线程同时执行;这个线程看到flag没有被设置成0(因为它在锁的外部),它可以继续把指针指向未分配资源—上当了!
此外,即使代码按我们所写的执行,我们仍然没有免除灾难,原因在于CPU可以采用管道技术处理以上用**标出的代码:
线程A进入锁住的那部分代码。
线程B对第一个if语句求值并计算指针的值(在最后的else子句中)。
线程B得到“指针”(由于线程A还没有指定它,所以是垃圾)的值。
在线程A完成并解锁的同时,线程B将计算第一个if的值。
解锁导致“flag”的值被清除(意味着线程B在它的高速缓存中具有的任何值都是无效的)。
线程B计算好第一个if子句的值,当然,现在它发现值为true。
现在线程B使用前面那个是垃圾的指针值。
这就是Java双if魔符。虽然其它的语言(比如C/C++)让您通过使用语言本机功能强制执行的次序来解决这个问题,Java语言却不行。为了安全的执行上述示例,您必须把所有代码封装在一个synchronize子句中,或者寻找另外一种写法。
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