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(gè)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(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作;
volatile變量規(guī)則:對(duì)一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)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(dòng)規(guī)則:Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作;
線程中斷規(guī)則:對(duì)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(cè)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(cè),我們可以通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行;
對(duì)象終結(jié)規(guī)則:一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始;
我們來(lái)詳細(xì)看看上面每條規(guī)則(摘自《深入理解Java虛擬機(jī)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?yàn)樘摂M機(jī)、處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序(重排序后面會(huì)詳細(xì)介紹)。雖然重排序了,但是并不會(huì)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(gè)規(guī)則只對(duì)單線程有效,在多線程環(huán)境下無(wú)法保證正確性。
鎖定規(guī)則:這個(gè)規(guī)則比較好理解,無(wú)論是在單線程環(huán)境還是多線程環(huán)境,一個(gè)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(jìn)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(biāo)志著volatile保證了線程可見(jiàn)性。通俗點(diǎn)講就是如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)volatile變量,然后一個(gè)線程去讀這個(gè)變量,那么這個(gè)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(dòng)規(guī)則:假定線程A在執(zhí)行過(guò)程中,通過(guò)執(zhí)行ThreadB.start()來(lái)啟動(dòng)線程B,那么線程A對(duì)共享變量的修改在接下來(lái)線程B開始執(zhí)行后確保對(duì)線程B可見(jiàn)。
線程終結(jié)規(guī)則:假定線程A在執(zhí)行的過(guò)程中,通過(guò)制定ThreadB.join()等待線程B終止,那么線程B在終止之前對(duì)共享變量的修改在線程A等待返回后可見(jiàn)。
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(duì)他們進(jìn)行推導(dǎo)出其他滿足happens-before的規(guī)則:
1.將一個(gè)元素放入一個(gè)線程安全的隊(duì)列的操作Happens-Before從隊(duì)列中取出這個(gè)元素的操作
2.將一個(gè)元素放入一個(gè)線程安全容器的操作Happens-Before從容器中取出這個(gè)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(wù)的所有操作Happens-Before Future#get()操作
6.向Executor提交一個(gè)Runnable或Callable的操作Happens-Before任務(wù)開始執(zhí)行操作
這里再說(shuō)一遍happens-before的概念:如果兩個(gè)操作不存在上述(前面8條 + 后面6條)任一一個(gè)happens-before規(guī)則,那么這兩個(gè)操作就沒(méi)有順序的保障,JVM可以對(duì)這兩個(gè)操作進(jìn)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(duì)操作B都是可見(jiàn)的。
上面的程序次序原則,和重排序之間一直有一個(gè)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(huì)重排序,導(dǎo)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(huì)重排序呢?根據(jù)happens-before的程序次序原則,context的初始化不是應(yīng)該在inited前面嗎?直到我看到了這樣的解釋:
1. 如果一個(gè)操作happens-before另一個(gè)操作,那么第一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果將對(duì)第二個(gè)操作可見(jiàn),而且第一個(gè)操作的執(zhí)行順序排在第二個(gè)操作之前。
2. 兩個(gè)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(lái)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(lái)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(huì)重排序了:線程1中的兩個(gè)操作沒(méi)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(gè)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(gè)操作之間無(wú)關(guān)系的情況下,操作有可能會(huì)被重排序的原因了。
另一方面,如果兩個(gè)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(huì)改變,需要遵循as-if-serial語(yǔ)義。即: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
數(shù)據(jù)依賴性定義:
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,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(méi)有數(shù)據(jù)依賴性,所以A和B之間可能會(huì)被重排序。
控制依賴性定義:
考察下面的代碼,線程1運(yùn)行writer,線程2運(yùn)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(méi)有數(shù)據(jù)依賴性,可能會(huì)被重排序,導(dǎo)致程序異常。那么,3和4之間會(huì)重排序嗎?答案是會(huì)的。這里有個(gè)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(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)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。
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。
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