Java內(nèi)存之happens-before和重排序
happens-before原則規(guī)則:
程序次序規(guī)則:一個線程內(nèi),按照代碼順序,書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作;
鎖定規(guī)則:一個unLock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作;
volatile變量規(guī)則:對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作;
傳遞規(guī)則:如果操作A先行發(fā)生于操作B,而操作B又先行發(fā)生于操作C,則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C;
線程啟動規(guī)則:Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個一個動作;
線程中斷規(guī)則:對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生;
線程終結(jié)規(guī)則:線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測,我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行;
對象終結(jié)規(guī)則:一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始;
我們來詳細看看上面每條規(guī)則(摘自《深入理解Java虛擬機第12章》):
程序次序規(guī)則:一段代碼在單線程中執(zhí)行的結(jié)果是有序的。注意是執(zhí)行結(jié)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(zhí)行結(jié)果,所以程序最終執(zhí)行的結(jié)果與順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。故而這個規(guī)則只對單線程有效,在多線程環(huán)境下無法保證正確性。
鎖定規(guī)則:這個規(guī)則比較好理解,無論是在單線程環(huán)境還是多線程環(huán)境,一個鎖處于被鎖定狀態(tài),那么必須先執(zhí)行unlock操作后面才能進行l(wèi)ock操作。
volatile變量規(guī)則:這是一條比較重要的規(guī)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(guī)則:提現(xiàn)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(guī)則:假定線程A在執(zhí)行過程中,通過執(zhí)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(zhí)行后確保對線程B可見。
線程終結(jié)規(guī)則:假定線程A在執(zhí)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(guān)系的規(guī)則,但是我們可以對他們進行推導出其他滿足happens-before的規(guī)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(shù)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(zhí)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(guī)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(nèi)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(jù)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(zhí)行結(jié)果將對第二個操作可見,而且第一個操作的執(zhí)行順序排在第二個操作之前。
2. 兩個操作之間存在happens-before關(guān)系,并不意味著一定要按照happens-before原則制定的順序來執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果與按照happens-before關(guān)系來執(zhí)行的結(jié)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(zhí)行結(jié)果,和按照happens-before關(guān)系執(zhí)行的結(jié)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(guān)聯(lián)關(guān)系,就是執(zhí)行結(jié)果互不依賴。按照happens-before的關(guān)系執(zhí)行,context先初始化,inited后初始化。按照重排序的順序執(zhí)行,inited先初始化,context后初始化。最終的結(jié)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(guī)則在多線程下,兩個操作之間無關(guān)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(guān)聯(lián)關(guān)系,為了保證程序的執(zhí)行結(jié)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(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序,因為這種重排序會改變執(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
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)依賴性
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)依賴性,B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴性,所以C不能在A和B之前執(zhí)行。但是,A和B之間沒有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)系。當代碼中存在控制依賴性時,會影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此,編譯器和處理器會采用猜測(Speculation)執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例,執(zhí)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(jié)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(jié)果寫入變量i中。
從圖中我們可以看出,猜測執(zhí)行實質(zhì)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(zhí)行結(jié)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(zhí)行結(jié)果。
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