Java內存之happens-before和重排序的示例分析

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

happens-before原則規則：

程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作；
鎖定規則：一個unLock操作先行發生于后面對同一個鎖的lock操作；
volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生于后面對這個變量的讀操作；
傳遞規則：如果操作A先行發生于操作B，而操作B又先行發生于操作C，則可以得出操作A先行發生于操作C；
線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生于此線程的每個一個動作；
線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生；
線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行；
對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生于他的finalize()方法的開始；
我們來詳細看看上面每條規則（摘自《深入理解Java虛擬機第12章》）：

程序次序規則：一段代碼在單線程中執行的結果是有序的。注意是執行結果，因為虛擬機、處理器會對指令進行重排序（重排序后面會詳細介紹）。雖然重排序了，但是并不會影響程序的執行結果，所以程序最終執行的結果與順序執行的結果是一致的。故而這個規則只對單線程有效，在多線程環境下無法保證正確性。

鎖定規則：這個規則比較好理解，無論是在單線程環境還是多線程環境，一個鎖處于被鎖定狀態，那么必須先執行unlock操作后面才能進行lock操作。

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

傳遞規則：提現了happens-before原則具有傳遞性，即A happens-before B , B happens-before C，那么A happens-before C

線程啟動規則：假定線程A在執行過程中，通過執行ThreadB.start()來啟動線程B，那么線程A對共享變量的修改在接下來線程B開始執行后確保對線程B可見。

線程終結規則：假定線程A在執行的過程中，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關系的規則，但是我們可以對他們進行推導出其他滿足happens-before的規則：

1.將一個元素放入一個線程安全的隊列的操作Happens-Before從隊列中取出這個元素的操作

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

3.在CountDownLatch上的倒數操作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表示的任務的所有操作Happens-Before Future#get()操作

6.向Executor提交一個Runnable或Callable的操作Happens-Before任務開始執行操作

這里再說一遍happens-before的概念：如果兩個操作不存在上述（前面8條 + 后面6條）任一一個happens-before規則，那么這兩個操作就沒有順序的保障，JVM可以對這兩個操作進行重排序。如果操作A happens-before操作B，那么操作A在內存上所做的操作對操作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中的操作可能會重排序，導致線程B中的context初始化不完全。但是，為什么線程A的操作會重排序呢？根據happens-before的程序次序原則，context的初始化不是應該在inited前面嗎？直到我看到了這樣的解釋：

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

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

       另一方面，如果兩個操作之間存在關聯關系，為了保證程序的執行結果不會改變，需要遵循as-if-serial語義。即：編譯器和處理器不會對存在數據依賴關系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執行結果。但是，如果操作之間不存在數據依賴關系，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序

數據依賴性定義：

如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數據依賴性

數據依賴分為下列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之間有數據依賴性，B和C之間也存在數據依賴性，所以C不能在A和B之前執行。但是，A和B之間沒有數據依賴性，所以A和B之間可能會被重排序。

控制依賴性定義：

考察下面的代碼，線程1運行writer，線程2運行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直接沒有數據依賴性，可能會被重排序，導致程序異常。那么，3和4之間會重排序嗎？答案是會的。這里有個新的概念——控制依賴性。操作3和操作4存在控制依賴關系。當代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列執行的并行度。為此，編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執行來克服控制相關性對并行度的影響。以處理器的猜測執行為例，執行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a，然后把計算結果臨時保存到一個名為重排序緩沖（Reorder Buffer，ROB）的硬件緩存中。當操作3的條件判斷為真時，就把該計算結果寫入變量i中。

從圖中我們可以看出，猜測執行實質上對操作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，對存在控制依賴的操作重排序，不會改變執行結果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執行結果。

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