重排序与内存语义

重排序

什么是重排序

编译器和处理器为了提高程序的运行性能，对指令进行重新排序

数据依赖性(as-if-serial)

虽然重排序能够优化性能，但是前提是必须保证结果正确，那么它是如何在单线程下保证结果正确的呢？是根据诗句的依赖性来做的，数据的依赖性可以分为三类：

• 写后读

  写后读的操作肯定是不能重排的，例如a = 1然后b = a

  这对于a来说是一个先写后读的过程，这个过程不能改变，如果变成b = a然后a = 1，那么结果也就变了，b最终得到的就不是1

• 读后写

  读后写也不能重排，例如b = a然后a = 1，对于a来说这是一个读后写的操作，不能重排

  重排后变成a = 1，b = a。那么结果就变了，最终b的值就是1了

• 写后写

  写后写也是不能重排的，例如a = 1，a = 2。

  如果重排，变成a = 2，a = 1。那么最后a的结果是1而不是2了

指令重排序分类

• 编译器重排序
• 处理器重排序

指令重排序带来的影响

在单线程中不会有太大的影响，只会提升执行效率，但是在多线程中指令重排序会有较大的影响

例如：

public class Demo08 {
    private int a;
    private boolean flag;

    public void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }

    public void read() {
        if (flag) {
            int b = a + 1;
            System.out.println(b);
        }
    }
}

在上面的代码中我们要做的事很明确，就是先将a设置为1，然后flag设置为true。然后再判断flag的值，这时候为true，会进if判断，然后b = a + 1，因此理想的情况下b等于2。

1. 但是事实并非如此，因为a = 1与flag = true之间是没有数据的依赖性的，因此会进行重排序，很可能会先执行flag = true，那么这时候也会进if判断，但此时还没有执行a = 1，因此b的可能是0 + 1 = 1
2. 还有可能int b = a + 1会先执行，然后将执行的结果放到某块内存，等到flag为true的时候再取出来，但是早在执行int b = a + 1的时候a的值可能还没改变，那就会有问题

happens-before

happens-beore是用来指定两个操作之间的执行顺序，提供跨线程的内存可见性

happens-before规则如下：

• 程序顺序规则
  • 单个线程中的每一个操作，总是前一个操作happens-before于该线程中任意后续操作，也就是说如果a happens-before b，那么并不是表示a操作在b操作之前执行，而是表示a操作对于b操作是可见的
• 监视器锁规则
  • 对于一个锁的解锁总是happens-before于随后对这个锁的加锁
• volatile变量规则
  • 对于一个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，而b happens-before c，那么a一定happens-before c
• Start规则
  • 如果在a线程中调用了b线程，那么在a线程中的所有代码是happens-before b线程的
• Join规则
  • 如果在a线程中执行了b线程的join()方法，那么b线程happens-before a线程，这与start规则是相反的

内存语义

锁的内存语义

锁的释放与获取所建立的happens-before关系：锁的释放happens-before锁的获取

锁的释放和获取的内存语义：锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程和发送消息

volatile内存语义

volatile读写所建立的happens before关系：对于一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读

volatile读写的内存语义：当写一个volatile变量时，Java内存模型会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中；当读一个volatile变量时，Java内存模型会把当前线程对应的本地内存中的共享变量重置为无效，然后从主内存中读取共享变量

final内存语义

在java中，被final修饰的类不能被继承，被final修饰的方法不能被重写，被final修饰的变量不能被改变

• 写final域的重排序规则：禁止把final域的写重排序到构造方法之外，也就是可以在构造方法中初始化final修饰的变量

  public class Demo09 {
      private final int b;
      public Demo09() {
          b = 10;
      }
  }
  
  // 编译器会在final域的写之后，在构造方法执行完毕之前，插入一个内存屏障StoreStore，保证处理器把final域的写操作在构造方法之中完成
  
  // 一般的内存屏障
  // LoadLoad
  // StoreStore
  // LoadStore
  // StoreLoad
  

• 读final域的重排序规则：在一个线程中，初次读对象引用和初次读该对象所包含的final域，Java内存模型禁止处理器重排序这两个操作

• final域为静态类型：

• final域为抽象类型：在构造方法内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造方法外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这个两个操作之间不能重排序