深入理解happens-before和as-if-serial語(yǔ)義

更新時(shí)間：2019年05月21日 11:44:10 作者：andy周

本文大部分整理自《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》，溫故而知新，加深對(duì)基礎(chǔ)的理解程度。下面可以和小編來(lái)一起學(xué)習(xí)下

概述

本文大部分整理自《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》，溫故而知新，加深對(duì)基礎(chǔ)的理解程度。

指令序列的重排序

我們?cè)诰帉懘a的時(shí)候，通常自上而下編寫，那么希望執(zhí)行的順序，理論上也是逐步串行執(zhí)行，但是為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。

1）編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。
2）指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
3）內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從Java源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)分別經(jīng)歷下面3種重排序：

happens-before語(yǔ)義

從JDK 5開始，Java使用新的內(nèi)存模型，使用happens-before的概念來(lái)闡述操作之間的內(nèi)存可見性。那到底什么是happens-before呢？

在JMM中，如果一個(gè)操作執(zhí)行的結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見，那么這兩個(gè)操作之間必須要存在happens-before關(guān)系，這里提到的兩個(gè)操作既可以是在一個(gè)線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。

happens-before規(guī)則如下：

程序順序規(guī)則： 對(duì)于單個(gè)線程中的每個(gè)操作，前繼操作happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作。
監(jiān)視器鎖規(guī)則： 對(duì)一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖。
volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。
傳遞性： 如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

注意：

兩個(gè)操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個(gè)操作必須要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行，happens-before僅僅要求前一個(gè)操作(執(zhí)行的結(jié)果)對(duì)后一個(gè)操作可見，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前。

happens-before與JMM的關(guān)系如圖所示：

如圖所示，一個(gè)happens-before規(guī)則對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)編譯器和處理器重排序規(guī)則。

重排序

重排序指的是：編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段。

如果兩個(gè)操作訪問(wèn)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：

上面情況，只要重排序兩個(gè)操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果就會(huì)被改變。而編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)操作做重排序，但是編譯器和處理器在重排序時(shí)，會(huì)遵守?cái)?shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會(huì)改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個(gè)操作的執(zhí)行順序。

注意：

這里所說(shuō)的數(shù)據(jù)依賴性僅針對(duì)單個(gè)處理器中執(zhí)行的指令序列和單個(gè)線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。

as-if-serial語(yǔ)義

as-if-serial語(yǔ)義的意思是：不管怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語(yǔ)義。所以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。

下面還是以書中的實(shí)例(計(jì)算圓的面積)進(jìn)行說(shuō)明：

double pi = 3.14;  
// Adouble r = 1.0;  
// Bdouble area = pi * r * r; // C

上面3個(gè)操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如圖所示：

A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時(shí)B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面(因?yàn)镃排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會(huì)被改變)。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序。

該程序的兩種可能執(zhí)行順序：

as-if-serial語(yǔ)義把單線程程序保護(hù)了起來(lái)，遵守as-if-serial語(yǔ)義的編譯器、runtime和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個(gè)幻覺：?jiǎn)尉€程程序是按程序的順序來(lái)執(zhí)行的。

程序順序規(guī)則

根據(jù)happens-before的程序順序規(guī)則，上面計(jì)算圓的面積的示例代碼存在3個(gè)happens-before關(guān)系。

1） A happens-before B。
2） B happens-before C。
3） A happens-before C。

而這里的第3個(gè)happens-before關(guān)系，是根據(jù)happens-before的傳遞性推導(dǎo)出來(lái)的。

注意：

這里A happens-before B，但實(shí)際執(zhí)行時(shí)B卻可以排在A之前執(zhí)行，JMM并不要求A一定要在B之前執(zhí)行。JMM僅僅要求前一個(gè)操作(執(zhí)行的結(jié)果)對(duì)后一個(gè)操作可見，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前。這里操作A的執(zhí)行結(jié)果不需要對(duì)操作B可見，而且重排序操作A和操作B后的執(zhí)行結(jié)果，與操作A和操作B按happens-before順序執(zhí)行的結(jié)果一致。在這種情況下，JMM會(huì)認(rèn)為這種重排序并不非法，JMM允許這種重排序。

重排序?qū)Χ嗑€程的影響

重排序是否會(huì)改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果？還是借用書中的一個(gè)例子：

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
  }
 }
}

flag變量是個(gè)標(biāo)記，用來(lái)標(biāo)識(shí)變量a是否已被寫入。這里假設(shè)有兩個(gè)線程A和B，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時(shí)，能否看到線程A在操作1對(duì)共享變量a的寫入呢？

答案是：不一定能看到。

由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序；同樣，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序。

當(dāng)操作1和操作2重排序時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生什么效果？(虛箭線標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤的讀操作，用實(shí)箭線標(biāo)識(shí)正確的讀操作。)

如圖所示，操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時(shí)，線程A首先寫標(biāo)記變量flag，隨后線程B讀這個(gè)變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時(shí)，變量a還沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語(yǔ)義被重排序破壞了！

當(dāng)操作3和操作4重排序時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果。下面是操作3和操作4重排序后，程序執(zhí)行的時(shí)序圖：

在程序中，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)執(zhí)行來(lái)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。猜測(cè)執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對(duì)操作3和4做了重排序，在這里重排序破壞了多線程程序的語(yǔ)義！

注意：