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舉個(gè)例子
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在講重排序之前，先來(lái)看一個(gè)例子：
- int a = 0, b = 0;
- public void methodOne(){
- int one = a;
- b = 1;
- }
- public void methodTwo(){
- int two = b;
- a = 2;
- }
應(yīng)該不難看出，在上面的例子中，我定義了兩個(gè)共享變量 a 和 b ，以及兩個(gè)方法。其中第一個(gè)方法是將局部變量 one 賦值為 a ，然后將 b 的值置為 1 。第二個(gè)方法則是將局部變量 two 賦值為 b ，然后將 a 的值置為 2 。
那么我在這里有個(gè)問(wèn)題， ( one , two ) 的值會(huì)是什么?
你可能會(huì)不假思索的告訴我，不是 ( 0 , 1 ) 就是 ( 2 , 0 ) ，這需要看我的 main 方法先執(zhí)行哪個(gè) method 方法。
不錯(cuò)，如果這個(gè)程序跑在了單線程上面，這樣回答一點(diǎn)兒毛病都沒(méi)有。
但是，如果是在多線程環(huán)境下呢?
假設(shè)，現(xiàn)在 methodOne 和 methodTwo 分別在兩個(gè)不同的線程上執(zhí)行，此時(shí) Java 虛擬機(jī)在執(zhí)行了任意一個(gè)方法的第一條賦值語(yǔ)句之后就切換線程，這個(gè)時(shí)候的 ( one , two ) 的值可能是 ( 0 , 0 )
看到這兒，有沒(méi)有疑惑?為啥呢，怎么我寫(xiě)的程序好好的，到 Java 虛擬機(jī)這里了，它就給我變了呢?
就是因?yàn)樵趫?zhí)行的過(guò)程中，發(fā)生了重排序。它可能是即時(shí)編譯器的重排序，可能是處理器的亂序執(zhí)行，或者是內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。
總之，在程序執(zhí)行過(guò)程中，發(fā)生了重排序，然后得到的結(jié)果可能是 ( 0 ， 0 ) 這種情況。
為什么會(huì)重排序
看完上面，你可能會(huì)有疑問(wèn)，為什么會(huì)有重排序呢?
我的程序按照我自己的邏輯寫(xiě)下來(lái)好好的沒(méi)啥問(wèn)題， Java 虛擬機(jī)為什么動(dòng)我的程序邏輯?
你想想， CPU ，內(nèi)存這些都是非常寶貴的資源， Java 虛擬機(jī)如果在重排序之后沒(méi)啥效果，肯定也不會(huì)做這種費(fèi)力不討好的事情。
那么，重排序帶來(lái)了什么好處呢?
重排序使得程序的性能得以提高
為了方便理解，我拿生活中的場(chǎng)景來(lái)舉例子。
大早上起來(lái)，你會(huì)穿衣服，洗漱，做飯，吃飯對(duì)吧。那么在你起床之后，你是怎么做的呢?你是不是會(huì)在洗漱的時(shí)候，先把飯做上(比如讓蒸蛋機(jī)幫你蒸個(gè)雞蛋),然后呢等你洗漱完畢之后，就可以直接吃早飯了。
你為什么要這樣做呢?還不是為了省時(shí)間，可以多睡那么一分鐘，對(duì)不對(duì)。
同樣的道理， Java 虛擬機(jī)之所以要進(jìn)行重排序就是為了提高程序的性能。你寫(xiě)的程序，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單一行代碼，到底層可能需要使用不同的硬件，比如一個(gè)指令需要同時(shí)使用 CPU 和打印機(jī)設(shè)備，但是此時(shí) CPU 的任務(wù)完成了，打印機(jī)的任務(wù)還沒(méi)完成，這個(gè)時(shí)候怎么辦呢?不讓 CPU 執(zhí)行接下來(lái)的指令嗎?CPU 的時(shí)間那么寶貴，你不讓它工作，確定不是在浪費(fèi)它的生命?
所以為了提高利用率以及程序的性能， Java 虛擬機(jī)會(huì)在你這個(gè)指令還沒(méi)完全執(zhí)行完畢的時(shí)候，就去執(zhí)行另外一個(gè)指令。這就是流水線技術(shù)
流水線最怕的是啥?是我執(zhí)行著命令，執(zhí)行著命令，突然中斷了，恢復(fù)中斷的成本是很大的，所以就要想盡辦法，絞盡腦汁不要讓中斷的情況發(fā)生。
即時(shí)編譯器的重排序，處理器的亂序執(zhí)行，以及內(nèi)存系統(tǒng)的重排序的存在，都是為了減少中斷。
到這里，你是不是對(duì)于 Java 虛擬機(jī)進(jìn)行重排序這一點(diǎn)有了了解?
重排序帶來(lái)的問(wèn)題
回到文章剛開(kāi)始舉的那個(gè)例子，重排序提高了 CPU 的利用率沒(méi)錯(cuò)，提高了程序性能沒(méi)錯(cuò)，但是我的程序得到的結(jié)果可能是錯(cuò)誤的啊，這是不是就有點(diǎn)兒得不償失了?
因?yàn)橹嘏判蚩梢员ＷC串行語(yǔ)義一致，但是沒(méi)有義務(wù)保證多線程間的語(yǔ)義也一致
凡是問(wèn)題，都有辦法解決，要是沒(méi)有，那就再想想。
它是怎么解決的呢?這就需要來(lái)說(shuō)說(shuō)，順序一致性內(nèi)存模型和 JMM ( Java Memory Model ， Java 內(nèi)存模型)
順序一致性內(nèi)存模型與 JMM
要說(shuō)數(shù)據(jù)一致性的話，就要說(shuō)一說(shuō)，數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。
啥是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)呢?在 Java 內(nèi)存模型規(guī)范中給出了定義：
- 在一個(gè)線程中寫(xiě)一個(gè)變量
- 在另外一個(gè)線程中讀同一個(gè)變量
- 寫(xiě)和讀沒(méi)有通過(guò)同步來(lái)排序
當(dāng)代碼中包含數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，程序的執(zhí)行結(jié)果往往會(huì)超出你的想象，比如咱們剛開(kāi)始說(shuō)的那個(gè)例子，得到的結(jié)果可能是 ( 0 ， 0 ) 。但是如果一個(gè)多線程程序能夠正確同步的話，那上面的結(jié)果就不會(huì)出現(xiàn)了。
Java 內(nèi)存模型對(duì)于正確同步多線程程序的內(nèi)存一致性做了下面的保證：
如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行也會(huì)具有順序一致性即，程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中執(zhí)行的結(jié)果相同
這里面的同步包括了使用 volatile ， final ， synchronized 等關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程下的同步。那也就是說(shuō)，如果沒(méi)有正確使用這些同步， JMM 就不會(huì)有內(nèi)存可見(jiàn)性的保證，這就會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)的程序出錯(cuò)。
順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理想狀態(tài)下的理論參考模型，它為程序員提供了特別強(qiáng)的內(nèi)存可見(jiàn)性保證，順序一致性模型有兩大特性：
- 一個(gè)線程中的所有操作必須按照程序的順序來(lái)執(zhí)行(也就是按照寫(xiě)的代碼的順序來(lái)執(zhí)行)
- 不管程序是否同步，所有線程都只能看到一個(gè)單一的操作執(zhí)行順序。也就是說(shuō)，在順序一致性模型中，每個(gè)操作必須是原子性的，而且立刻對(duì)所有線程都是可見(jiàn)的。
上面說(shuō)了，順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理想狀態(tài)下的理論參考模型，因?yàn)轫樞蛞恢滦詢?nèi)存模型要求操作對(duì)所有線程都是可見(jiàn)，只是這一點(diǎn)就會(huì)讓 Java 虛擬機(jī)的性能降低。JMM 就是在順序一致性內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上，做了一些優(yōu)化：
- 針對(duì)同步的多線程程序來(lái)說(shuō)，也就是臨界區(qū)內(nèi)的代碼， JMM 允許發(fā)生重排序(但是不允許臨界區(qū)內(nèi)的代碼"逃逸"到臨界區(qū)之外，因?yàn)槿绻试S的話，就會(huì)破壞鎖的內(nèi)存語(yǔ)義)
- 針對(duì)未同步的多線程程序來(lái)說(shuō)， JMM 只提供最小安全性：線程讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫(xiě)入的值，要么是默認(rèn)值，不會(huì)無(wú)中生有。
應(yīng)該能夠感覺(jué)到，相比于順序一致性內(nèi)存模型來(lái)說(shuō)， JMM 給了編譯器和處理器一些空間，允許它們發(fā)生重排序。
這時(shí)候就有沖突點(diǎn)了：程序員這邊需要 JMM 提供一個(gè)強(qiáng)的內(nèi)存模型來(lái)編寫(xiě)代碼，也就是我代碼寫(xiě)的順序是什么樣，那程序執(zhí)行的時(shí)候就要是什么樣;但是編譯器和處理器則需要 JMM 對(duì)它們的約束越少越好，這樣它們就可以盡可能多的去做優(yōu)化，來(lái)提高性能
作為 JMM 這個(gè)中介者來(lái)說(shuō)，既要滿足程序員的需求，又要滿足編譯器和處理器的需求，那就需要在這兩者之間找一個(gè)平衡點(diǎn)，讓程序員寫(xiě)的代碼能夠產(chǎn)生他期望的結(jié)果，同時(shí)呢，也讓編譯器和處理器能夠做一些優(yōu)化
JMM 提出的解決方案就是：對(duì)于程序員，提供 happens-before 規(guī)則，這樣就滿足了程序員的需求 ---> 簡(jiǎn)單易懂，而且提供了足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見(jiàn)性保證;對(duì)于編譯器和處理器來(lái)說(shuō)，只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果(前提是正確同步了多線程程序)，想怎么優(yōu)化就怎么優(yōu)化。
happens-before
終于講到了 happens-before 。
先來(lái)看 happens-before 關(guān)系的定義：
- 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)果就會(huì)對(duì)第二個(gè)操作可見(jiàn)
- 兩個(gè)操作之間如果存在 happens-before 關(guān)系，并不意味著 Java 平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)就必須按照 happens-before 關(guān)系指定的順序來(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)果一直，那么 JMM 也允許這樣的重排序
看到這兒，你是不是覺(jué)得，這個(gè)怎么和 as-if-serial 語(yǔ)義一樣呢。沒(méi)錯(cuò)， happens-before 關(guān)系本質(zhì)上和 as-if-serial 語(yǔ)義是一回事。
as-if-serial 語(yǔ)義保證的是單線程內(nèi)重排序之后的執(zhí)行結(jié)果和程序代碼本身應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果是一致的， happens-before 關(guān)系保證的是正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不會(huì)被重排序改變。
一句話來(lái)總結(jié)就是：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，不管它們?cè)诓辉谝粋€(gè)線程。
在 Java 中，對(duì)于 happens-before 關(guān)系，有以下規(guī)定：
- 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每一個(gè)操作， happens-before 于該線程中的任意后續(xù)操作
- 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖， happens-before 于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖
- volatile 變量規(guī)則：對(duì)一個(gè) volatile 域的寫(xiě)， happens-before 與任意后續(xù)對(duì)這個(gè) volatile 域的讀
- 傳遞性：如果 A happens-before B ， 且 B happens-before C ，那么 A happens-before C
- start 規(guī)則：如果線程 A 執(zhí)行操作 ThreadB。start() 啟動(dòng)線程 B ，那么 A 線程的 ThreadB。start() 操作 happens-before 于線程 B 中的任意操作
- join 規(guī)則：如果線程 A 執(zhí)行操作 ThreadB。join() 并成功返回，那么線程 B 中的任意操作 happens-before 于線程 A 從 ThreadB。join() 操作成功返回。
寫(xiě)到這里，我感覺(jué)終于是寫(xiě)完這篇文章了，從為什么要重排序講到 happens-before 。
- 參考:《Java 并發(fā)編程的藝術(shù)》
分享文章：為什么會(huì)有重排序？和 happens-before 有啥關(guān)系
標(biāo)題來(lái)源：http://www.5511xx.com/article/djpghjs.html
