Java內(nèi)存之happens-before和重排序的示例分析

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Java內(nèi)存之happens-before和重排序的示例分析，小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

happens-before原則規(guī)則：

程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作；
鎖定規(guī)則：一個(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作；
volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作；
傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C；
線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作；
線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生；
線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行；
對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始；
我們來詳細(xì)看看上面每條規(guī)則（摘自《深入理解Java虛擬機(jī)第12章》）：

程序次序規(guī)則：一段代碼在單線程中執(zhí)行的結(jié)果是有序的。注意是執(zhí)行結(jié)果，因?yàn)樘摂M機(jī)、處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序（重排序后面會(huì)詳細(xì)介紹）。雖然重排序了，但是并不會(huì)影響程序的執(zhí)行結(jié)果，所以程序最終執(zhí)行的結(jié)果與順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。故而這個(gè)規(guī)則只對(duì)單線程有效，在多線程環(huán)境下無法保證正確性。

鎖定規(guī)則：這個(gè)規(guī)則比較好理解，無論是在單線程環(huán)境還是多線程環(huán)境，一個(gè)鎖處于被鎖定狀態(tài)，那么必須先執(zhí)行unlock操作后面才能進(jìn)行l(wèi)ock操作。

volatile變量規(guī)則：這是一條比較重要的規(guī)則，它標(biāo)志著volatile保證了線程可見性。通俗點(diǎn)講就是如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)volatile變量，然后一個(gè)線程去讀這個(gè)變量，那么這個(gè)寫操作一定是happens-before讀操作的。

傳遞規(guī)則：提現(xiàn)了happens-before原則具有傳遞性，即A happens-before B , B happens-before C，那么A happens-before C

線程啟動(dòng)規(guī)則：假定線程A在執(zhí)行過程中，通過執(zhí)行ThreadB.start()來啟動(dòng)線程B，那么線程A對(duì)共享變量的修改在接下來線程B開始執(zhí)行后確保對(duì)線程B可見。

線程終結(jié)規(guī)則：假定線程A在執(zhí)行的過程中，通過制定ThreadB.join()等待線程B終止，那么線程B在終止之前對(duì)共享變量的修改在線程A等待返回后可見。

上面八條是原生Java滿足Happens-before關(guān)系的規(guī)則，但是我們可以對(duì)他們進(jìn)行推導(dǎo)出其他滿足happens-before的規(guī)則：

1.將一個(gè)元素放入一個(gè)線程安全的隊(duì)列的操作Happens-Before從隊(duì)列中取出這個(gè)元素的操作

2.將一個(gè)元素放入一個(gè)線程安全容器的操作Happens-Before從容器中取出這個(gè)元素的操作

3.在CountDownLatch上的倒數(shù)操作Happens-Before CountDownLatch#await()操作

4.釋放Semaphore許可的操作Happens-Before獲得許可操作

5.Future表示的任務(wù)的所有操作Happens-Before Future#get()操作

6.向Executor提交一個(gè)Runnable或Callable的操作Happens-Before任務(wù)開始執(zhí)行操作

這里再說一遍happens-before的概念：如果兩個(gè)操作不存在上述（前面8條 + 后面6條）任一一個(gè)happens-before規(guī)則，那么這兩個(gè)操作就沒有順序的保障，JVM可以對(duì)這兩個(gè)操作進(jìn)行重排序。如果操作A happens-before操作B，那么操作A在內(nèi)存上所做的操作對(duì)操作B都是可見的。

上面的程序次序原則，和重排序之間一直有一個(gè)疑惑，看下面的代碼：

//線程A:
context = loadContext();
inited = true;
//線程B:
while(!inited ){
 sleep
}
doSomethingwithconfig(context);

線程A中的操作可能會(huì)重排序，導(dǎo)致線程B中的context初始化不完全。但是，為什么線程A的操作會(huì)重排序呢？根據(jù)happens-before的程序次序原則，context的初始化不是應(yīng)該在inited前面嗎？直到我看到了這樣的解釋：

1. 如果一個(gè)操作happens-before另一個(gè)操作，那么第一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果將對(duì)第二個(gè)操作可見，而且第一個(gè)操作的執(zhí)行順序排在第二個(gè)操作之前。 
2. 兩個(gè)操作之間存在happens-before關(guān)系，并不意味著一定要按照happens-before原則制定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果與按照happens-before關(guān)系來執(zhí)行的結(jié)果一致，那么這種重排序并不非法。

       第二條中描述了，如果重排序的執(zhí)行結(jié)果，和按照happens-before關(guān)系執(zhí)行的結(jié)果一致，那么重排序并不非法。所以就解釋了為什么線程1中會(huì)重排序了：線程1中的兩個(gè)操作沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系，就是執(zhí)行結(jié)果互不依賴。按照happens-before的關(guān)系執(zhí)行，context先初始化，inited后初始化。按照重排序的順序執(zhí)行，inited先初始化，context后初始化。最終的結(jié)果都是一樣的：兩個(gè)變量的初始化。所以，重排序不非法。這也解釋了，為什么程序次序規(guī)則在多線程下，兩個(gè)操作之間無關(guān)系的情況下，操作有可能會(huì)被重排序的原因了。

       另一方面，如果兩個(gè)操作之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，為了保證程序的執(zhí)行結(jié)果不會(huì)改變，需要遵循as-if-serial語義。即：編譯器和處理器不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因?yàn)檫@種重排序會(huì)改變執(zhí)行結(jié)果。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序

數(shù)據(jù)依賴性定義：

如果兩個(gè)操作訪問同一個(gè)變量，且這兩個(gè)操作中有一個(gè)為寫操作，此時(shí)這兩個(gè)操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性

數(shù)據(jù)依賴分為下列3種類型，如表所示：

double pi = 3.14; // A
double r = 1.0; // B
double area = pi * r * r; // C

操作A和C之間有數(shù)據(jù)依賴性，B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴性，所以C不能在A和B之前執(zhí)行。但是，A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴性，所以A和B之間可能會(huì)被重排序。

控制依賴性定義：

考察下面的代碼，線程1運(yùn)行writer，線程2運(yùn)行reader：

class ReorderExample {
 int a = 0;
 boolean flag = false;
 public void writer() {
 a = 1; // 1
 flag = true; // 2
 }
 Public void reader() {
 if (flag) { // 3
  int i = a * a; // 4
  ……
 } 
 }
}

        我們知道，操作1和2直接沒有數(shù)據(jù)依賴性，可能會(huì)被重排序，導(dǎo)致程序異常。那么，3和4之間會(huì)重排序嗎？答案是會(huì)的。這里有個(gè)新的概念——控制依賴性。操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時(shí)，會(huì)影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此，編譯器和處理器會(huì)采用猜測(cè)（Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對(duì)并行度的影響。以處理器的猜測(cè)執(zhí)行為例，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計(jì)算a*a，然后把計(jì)算結(jié)果臨時(shí)保存到一個(gè)名為重排序緩沖（Reorder Buffer，ROB）的硬件緩存中。當(dāng)操作3的條件判斷為真時(shí)，就把該計(jì)算結(jié)果寫入變量i中。

從圖中我們可以看出，猜測(cè)執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對(duì)操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！

        在單線程程序中，對(duì)存在控制依賴的操作重排序，不會(huì)改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對(duì)存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對(duì)存在控制依賴的操作重排序，可能會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

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