Java是否允许无界饥饿？volatile循环程序的JMM合规性问询

引言 #

考虑以下Java程序：

public class Loop {
    static volatile boolean flag;
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> flag = true).start();
        while(!flag);
    }
}

简单描述：存在两个线程，一个线程在循环中等待volatile boolean flag变为true，另一个线程将flag设为true。

我认为Java语言规范（JLS）并未保证该程序会终止，以下是我的推理过程。但由于类似程序有时被作为Java同步的正确示例，我不确定自己的理解是否正确。

推理过程 #

所有对JLS的引用均基于Java SE 23。为简洁起见，若未明确指定变量，提及的读/写操作均指对flag的读/写。

§17.4定义了Java内存模型（JMM），用于划分程序的合法与非法行为。§17.4.1至§17.4.7规定了合法执行的概念；§17.4.8进一步约束执行需满足因果性要求；§17.4.9基于合法执行定义了程序的可观测行为。

合法执行 #

首先，我认为对于任意n > 0，该程序存在一个包含恰好n次volatile读操作的合法执行，且无外部操作（除§17.4.9引入的executionTermination操作）。具体而言，该执行的同步操作按同步顺序排列如下：

1. 两个线程A和B启动（即执行其合成初始操作；参见§17.4.2）。
2. A执行n-1次volatile读操作，读取到默认值false的合成写入。
3. B执行一次volatile写操作，将值设为true。
4. A再执行一次volatile读操作，读取到B执行的volatile写操作的值。
5. A和B均终止（即执行其合成最终操作；参见§17.4.2）。

我认为这些执行满足合法执行的所有要求及因果性条件，因数学论证繁琐在此省略。

可观测行为 #

接下来，我将论证仅包含hang操作的行为是该程序的可观测行为。

§17.4.9规定：

[...]
若O是执行E的可观测操作集，则O必须是E的操作集A的子集，且即使A包含无限个操作，O也只能包含有限个操作。此外，若操作y在O中，且存在hb(x, y)或so(x, y)，则x也必须在O中。
[...]
行为B是程序P的允许行为当且仅当B是有限的外部操作集，且满足以下任一条件：

• [...]
• 存在操作集O，使得B由一个hang操作和O中的所有外部操作组成，且对于所有k ≥ |O|，存在P的执行E（操作集为A），以及操作集O'，满足：
  • O和O'均为A的子集，且满足可观测操作集的要求。
  • O ⊆ O' ⊆ A
  • |O'| ≥ k
  • O' - O不包含任何外部操作

选择B为仅包含hang操作的单元素集，O为空集。对于任意给定的k，选择E为包含恰好k次读操作的执行，O'为A去掉executionTermination后的集合，可满足所有条件。

实际JVM的行为 #

我在x86_64机器上使用OpenJDK（Oracle build 23+37-2369）进行了实验。只要flag是volatile，无法让程序挂起；仅当flag为非volatile时，C2会将循环优化为无限循环。

技术问询 #

• 我对JLS/JMM的理解是否正确，即上述程序允许不终止？若不正确，我的错误在哪里？
• 若我的理解正确，是否存在特定环境组合（CPU架构、JDK版本、JVM参数等），使得上述程序或其flag为volatile的变体在实际JVM上不终止？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Haspamelodica