摘要：前情提要深入理解內(nèi)存模型一基礎(chǔ)編譯器運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。以處理器的猜測(cè)執(zhí)行為例，執(zhí)行線程的處理器可以提前讀取并計(jì)算，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。請(qǐng)看下篇深入理解內(nèi)存模型三順序一致性

前情提要 深入理解Java內(nèi)存模型（一）——基礎(chǔ)

Java編譯器、運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。這種重排序在單線程和多線程情況下分別有什么影響呢？

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(xiě)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)依賴分下列三種類型：

  -------- -------------- -------------------------------
  名稱     代碼示例       說(shuō)明
  寫(xiě)后讀   a = 1;b = a;   寫(xiě)一個(gè)變量之后，再讀這個(gè)位置。
  寫(xiě)后寫(xiě)   a = 1;a = 2;   寫(xiě)一個(gè)變量之后，再寫(xiě)這個(gè)變量。
  讀后寫(xiě)   a = b;b = 1;   讀一個(gè)變量之后，再寫(xiě)這個(gè)變量。
  -------- -------------- -------------------------------

上面三種情況，只要重排序兩個(gè)操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)被改變。

前面提到過(guò)，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)操作做重排序。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)義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（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。

為了遵守as-if-serial語(yǔ)義，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，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。為了具體說(shuō)明，請(qǐng)看下面計(jì)算圓面積的代碼示例：

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

上面三個(gè)操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示：

如上圖所示，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（C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(méi)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。下圖是該程序的兩種執(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(xiě)單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個(gè)幻覺(jué)：?jiǎn)尉€程程序是按程序的順序來(lái)執(zhí)行的。as-if-serial語(yǔ)義使單線程程序員無(wú)需擔(dān)心重排序會(huì)干擾他們，也無(wú)需擔(dān)心內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。

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三個(gè)happens-
before關(guān)系：

A happens-before B；

B happens-before C；

A happens-before C；

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。

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（看上面的重排序后的執(zhí)行順序）。在第一章提到過(guò)，如果A happens-before B，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(jiàn)，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(jiàn)；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（not illegal），JMM允許這種重排序。

在計(jì)算機(jī)中，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個(gè)共同的目標(biāo)：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開(kāi)發(fā)并行度。編譯器和處理器遵從這一目標(biāo)，從happens-before的定義我們可以看出，JMM同樣遵從這一目標(biāo)。

現(xiàn)在讓我們來(lái)看看，重排序是否會(huì)改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果。請(qǐng)看下面的示例代碼：

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(xiě)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(xiě)入？

答案是：不一定能看到。

由于操作1和操作2沒(méi)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(méi)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。讓我們先來(lái)看看，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？請(qǐng)看下面的程序執(zhí)行時(shí)序圖：

如上圖所示，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(xiě)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還根本沒(méi)有被線程A寫(xiě)入，在這里多線程程序的語(yǔ)義被重排序破壞了！

※注：本文統(tǒng)一用紅色的虛箭線表示錯(cuò)誤的讀操作，用綠色的虛箭線表示正確的讀操作。

下面再讓我們看看，當(dāng)操作3和操作4重排序時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果（借助這個(gè)重排序，可以順便說(shuō)明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序的執(zhí)行時(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)（Speculation）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（reorder buffer ROB）的硬件緩存中。當(dāng)接下來(lái)操作3的條件判斷為真時(shí)，就把該計(jì)算結(jié)果寫(xiě)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(yǔ)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(yǔ)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。

Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th
Edition

Concurrent Programming on
Windows

Concurrent Programming in Java?: Design Principles and
Pattern

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

程曉明，Java軟件工程師，系統(tǒng)分析師、信息項(xiàng)目管理師。專注于并發(fā)編程。個(gè)人郵箱：asst2003@163.com。

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