认识重排序与happens-before

什么是重排序?

在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高并行度。JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势。因此，在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：

  • 编译器优化重排

    编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

  • 指令并行重排

    现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。

  • 内存系统重排

    由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

指令重排可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致。所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题，比如乱序问题，但是这点牺牲是值得的。

什么是as-if-serial?

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提供并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器，runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器，runtime和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。

什么是happens-before?

在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。happens-before原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们解决在并发环境下两操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

JMM考虑了这两种需求，并且找到了平衡点，对编译器和处理器来说，只要不改变程序的执行结果（单线程程序和正确同步了的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。

而对于程序员，JMM提供了happens-before规则（JSR-133规范），满足了程序员的需求——简单易懂，并且提供了足够强的内存可见性保证。换言之，程序员只要遵循happens-before规则，那他写的程序就能保证在JMM中具有强的内存可见性。

JMM使用happens-before的概念来定制两个操作之间的执行顺序。这两个操作可以在一个线程以内，也可以是不同的线程之间。因此，JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证。

happens-before关系的定义如下：

  1. 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

  2. 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么JMM也允许这样的重排序。

happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

as-if-serial语义保证单线程内重排序后的执行结果和程序代码本身应有的结果是一致的，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被重排序改变。

总之，如果操作A happens-before操作B，那么操作A在内存上所做的操作对操作B都是可见的，不管它们在不在一个线程。

happens-before的具体规则

  • 程序顺序规则：一个线程中的每一个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

  • 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

  • volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

  • 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

  • start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()启动线程B，那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作、

  • join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

  • 程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。

  • 对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

举例：

int a = 1; // A操作
int b = 2; // B操作
int sum = a + b;// C 操作
System.out.println(sum);

根据以上介绍的happens-before规则，假如只有一个线程，那么不难得出：

1> A happens-before B 
2> B happens-before C 
3> A happens-before C

注意，真正在执行指令的时候，其实JVM有可能对操作A & B进行重排序，因为无论先执行A还是B，他们都对对方是可见的，并且不影响执行结果。

如果这里发生了重排序，这在视觉上违背了happens-before原则，但是JMM是允许这样的重排序的。

所以，我们只关心happens-before规则，不用关心JVM到底是怎样执行的。只要确定操作A happens-before操作B就行了。

重排序有两类，JMM对这两类重排序有不同的策略：

  • 会改变程序执行结果的重排序，比如 A -> C，JMM要求编译器和处理器都禁止这种重排序。

  • 不会改变程序执行结果的重排序，比如 A -> B，JMM对编译器和处理器不做要求，允许这种重排序。

参考资料

JVM(十一)Java指令重排序

深入理解JVM（二）——内存模型、可见性、指令重排序

JMM——volatile与内存屏障

并发关键字volatile（重排序和内存屏障）

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