Java中getAcquire/setRelease不如volatile更安全


getAcquire与setRelease:你以为的“安全”其实是“裸奔”  

在Java并发编程的世界里,getAcquiresetRelease这对组合听起来就像是某种高端安全协议,仿佛只要用了它们,你的程序就能自动获得“线程安全认证”,从此高枕无忧。

但真相是,它们更像是健身房里那种只练胸肌不练核心的健身爱好者——表面看起来很强壮,实际上一跑步就扭伤腰。

根据Javadoc的官方描述:

  • getAcquire的作用是“返回变量的值,并确保后续的加载和存储不会被重排序到该操作之前”
  • setRelease则是“设置变量的值,并确保之前的加载和存储不会被重排序到该操作之后”。

听起来是不是特别严谨?就像法律条文一样滴水不漏?

可惜,现实远比文档残酷。

这些所谓的“内存屏障”其实只是单向的篱笆,上面长满了倒刺,阻止操作越过边界,但仅限一个方向。

你可以把getAcquire想象成一个向下长满倒刺的栅栏,后面的指令不能跑到它前面去,但它前面的指令却可以随意往后跳;

同理,setRelease就像一个向上长刺的篱笆,前面的操作不能越界到后面,但后面的操作却能自由前插。

这种设计看似合理,实则埋下了巨大的隐患——因为它允许某些关键操作在特定情况下“偷偷换位”,就像考试时两个学生悄悄交换了答题卡,监考老师却只盯着其中一个方向。  

举个例子,假设线程A执行完一堆复杂计算后,用setRelease(true)标记一个done标志,而线程B通过getAcquire()读取这个标志,一旦发现为真,就认为所有准备工作已完成,可以放心使用相关数据。

这听起来很合理,对吧?

但实际上,如果没有更严格的同步机制,编译器或CPU可能会把state = initialize()这行代码挪到done.setRelease(true)之后,导致线程B看到done为真时,state仍然是null。

这种情况在x86架构上可能碰巧运行正常,因为Intel的内存模型相对较强,重排序行为较少,但在ARM这种弱内存序架构上,程序随时可能崩溃,而且崩溃的方式还特别随机,就像你每次重启电脑都有50%的概率蓝屏,完全无法预测。

更讽刺的是,很多开发者在x86机器上测试时一切正常,于是自信满满地把代码部署到移动端或服务器集群,结果一上线就炸得片甲不留。这就像一个人在沙漠里学会了游泳,以为自己能在海里横着走,结果第一次下海就被浪拍晕了。  

volatile读写:真正的“全副武装”还是“过度防护”?  

如果说getAcquiresetRelease是半吊子保安,那volatile读写就是穿着防弹衣、头戴钢盔、手持金属探测器的顶级安保团队。

它不仅具备getAcquiresetRelease的所有功能,还额外提供了一项关键保障:整个程序的执行必须能被解释为某种全局顺序,也就是说,所有线程看到的volatile变量修改顺序必须一致,并且符合代码中的逻辑顺序。

这听起来是不是有点像“因果律武器”?没错,正是这种特性,让volatile能够阻止那些看似荒谬但实际上完全合法的重排序行为。

比如在前面提到的ReleaseAcquireRace例子中,两个线程分别设置自己的启动标志,然后检查对方是否已启动,如果没有,就宣布自己是第一个。按常理推断,最多只能有一个线程获胜,要么是线程1,要么是线程2,或者两者同时开始导致平局。但如果你使用的是getAcquiresetRelease,你会发现运行一段时间后,竟然出现了“两个线程都觉得自己赢了”的诡异情况。这就好比两辆车在十字路口同时亮起左转灯,按理说应该有一方让行,结果它们都坚信对方看到了自己打灯,于是同时转弯,最终撞了个满怀。  

为什么会这样?

原因就在于setReleasegetAcquire之间的操作可以被重排序。线程1可能先执行了started1.setRelease(true),但紧接着的started2.getAcquire()却被提前执行了,导致它误判对方还没启动,于是自信满满地标记first1 = true;与此同时,线程2也经历了同样的过程,结果就是双方都觉得自己赢了。

这种现象在Intel的开发者手册中甚至被明确提及,说明这不是bug,而是硬件层面允许的行为。

要解决这个问题,你可以在setReleasegetAcquire之间插入一个VarHandle.fullFence(),强制禁止任何重排序,或者干脆改用volatile语义,让JVM自动帮你处理这一切。

然而,讽刺的是,很多开发者明明知道volatile更安全,却因为“性能优化”的执念,执意使用getAcquiresetRelease,结果省下的那点CPU周期,远远抵不上线上故障带来的损失。这就像是为了省几块钱打车费,宁愿步行十公里,结果路上摔了一跤,进了医院花了几万块。  

Peterson算法:理论上的完美与现实中的尴尬  

接下来,让我们聊聊一个在教科书里闪闪发光,但在实际项目中几乎没人敢用的算法——Peterson算法。这个算法的初衷是实现两个线程之间的互斥访问,而且不依赖现代CPU提供的原子CAS(Compare-and-Swap)指令,完全靠volatile变量和巧妙的逻辑来达成目的。

听起来是不是很酷?就像是不用枪炮也能打赢战争的古代兵法大师。

然而,它的优雅背后隐藏着极其脆弱的平衡。在Peterson算法中,每个线程进入临界区前,必须先声明自己感兴趣(interested[myIdx] = 1),然后主动把“让行权”交给对方(turn = oIdx),最后进入循环等待,直到对方不再感兴趣或轮到自己为止。

这个逻辑看似无懈可击,但如果使用的不是volatile读写,而是getAcquiresetRelease,整个算法就会瞬间崩塌。

问题出在第一步和第二步之间——由于setRelease不禁止后续操作的重排序,turn = oIdx这一行可能被提前执行,导致两个线程同时认为对方应该让行,结果双双闯入临界区,造成严重的数据竞争。

这就好比两个司机在窄桥上相遇,按照规则,一方应先退后让行,但他们都没等对方完全停下就抢先开进,最终在桥中央堵死。  

更讽刺的是,Peterson算法虽然在理论上证明了“仅靠内存可见性就能实现互斥”,但在现实中,几乎所有主流锁实现都直接采用了硬件级的CAS操作,性能远超Peterson算法。

这就像是科学家费尽心思发明了一种不用电的冰箱,结果发现制冷效果还不如老式的冰柜,唯一的亮点是“理论上可行”。

不过,Peterson算法的价值并不在于实用性,而在于它清晰地揭示了volatile语义的重要性——它不仅仅是为了保证可见性,更是为了维护操作的全局顺序一致性。一旦失去这一点,再精巧的算法也会变成纸糊的堡垒,风一吹就倒。  

性能之争:x86与ARM的“南北战争”  

最后,我们来谈谈性能。

很多开发者选择getAcquiresetRelease的理由是“更轻量”,认为volatile会带来额外开销。

但实际情况远比想象复杂。

在我的测试中,ACQUIRE_RELEASE加显式内存屏障的版本在x86笔记本上略胜一筹,而在ARM设备上,直接使用volatile反而表现更好。

这说明不同架构对内存屏障的处理方式存在显著差异,而JVM的优化策略也会因平台而异。

因此,所谓的“性能优化”很可能只是“盲人摸象”式的局部改进,甚至可能适得其反。与其花时间微调这些底层细节,不如先确保程序的正确性。毕竟,一个跑得快但结果错误的程序,还不如干脆卡死。