无法理解线程行为：读写线程注释println后无输出的问题

问题代码 #

package safety.publishing;

public class PublicStaticPublishing {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new ReadRunnable()).start();
        new Thread(new WriteRunnable()).start();
    }

}

class A {
    public static int i = 0;
}

class ReadRunnable implements Runnable {
    int cache = A.i;
    @Override
    public void run() {
        for (;;) {
            if (A.i != cache) {
                System.out.println("cache miss " + A.i + " " + cache);
                cache = A.i;
            } else {
                // System.out.println("cache hit"); 
            }
        }
    }
}

class WriteRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        for (int i =0; i<1000; i++) {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
            A.i++;
        }
    }
}

现象描述 #

当前代码包含一个读线程和一个写线程，出现两种截然不同的运行结果：

• 注释掉else块的System.out.println("cache hit");时，if块的输出完全不执行，控制台持续空白；
• 取消注释后，if和else块的输出都正常执行，示例输出如下：

cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache hit
cache miss 222 221
cache hit

原理分析 #

核心问题出在Java内存模型（JMM）的缓存可见性和JIT即时编译器的优化上：

1. 无else输出时的JIT优化
   读线程的循环逻辑里没有任何同步机制触发内存刷新。JIT编译器会判定A.i的值不会被其他线程修改，进而做循环不变量优化：把A.i的读取缓存到线程本地的寄存器或栈中，后续循环不再去主内存读取最新值。这就导致读线程永远看不到写线程对A.i的修改，if条件永远不成立，自然没有输出。

2. 有else输出时的内存屏障
   System.out.println()方法内部包含synchronized同步块。根据JMM规则：

   • 退出synchronized块时，线程会把本地缓存的变量刷新到主内存；
   • 进入synchronized块时，线程会失效本地缓存，强制从主内存重新读取变量。
     这相当于给读线程加了隐性的内存屏障，保证每次循环都能获取到A.i的最新值，所以能正常检测到变量变化，输出cache hit和cache miss。

解决方案 #

解决这类多线程可见性问题，有两种常用方式：

• 给A.i添加volatile关键字：

  class A {
      public static volatile int i = 0;
  }
  

  volatile会禁止JIT的缓存优化，保证每次读取A.i都直接从主内存获取，写入时立即刷新到主内存，强制多线程间的变量可见性。
• 使用同步锁包裹A.i的读写操作，比如在读取和修改A.i时加synchronized块，同样能触发内存屏障，保证可见性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Sandeep T