深入理解Java內(nèi)存模型（二）——重排序

tunny 發(fā)布于2019-08-14 16:02 / 2670人閱讀

摘要：前情提要深入理解內(nèi)存模型一基礎編譯器運行時會對指令進行重排序。以處理器的猜測執(zhí)行為例，執(zhí)行線程的處理器可以提前讀取并計算，然后把計算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖的硬件緩存中。請看下篇深入理解內(nèi)存模型三順序一致性

前情提要 深入理解Java內(nèi)存模型（一）——基礎

Java編譯器、運行時會對指令進行重排序。這種重排序在單線程和多線程情況下分別有什么影響呢？

數(shù)據(jù)依賴性

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)依賴分下列三種類型：

  -------- -------------- -------------------------------
  名稱     代碼示例       說明
  寫后讀   a = 1;b = a;   寫一個變量之后，再讀這個位置。
  寫后寫   a = 1;a = 2;   寫一個變量之后，再寫這個變量。
  讀后寫   a = b;b = 1;   讀一個變量之后，再寫這個變量。
  -------- -------------- -------------------------------

上面三種情況，只要重排序兩個操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果將會被改變。

前面提到過，編譯器和處理器可能會對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關系的兩個操作的執(zhí)行順序。

注意，這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。

as-if-serial語義

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關系的操作做重排序，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)依賴關系，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。為了具體說明，請看下面計算圓面積的代碼示例：

    double pi  = 3.14;    //A
    double r   = 1.0;     //B
    double area = pi * r * r; //C

上面三個操作的數(shù)據(jù)依賴關系如下圖所示：

如上圖所示，A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關系，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會被改變）。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序：

as-if-serial語義把單線程程序保護了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器，runtime 和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔心重排序會干擾他們，也無需擔心內(nèi)存可見性問題。

程序順序規(guī)則

根據(jù)happens-before的程序順序規(guī)則，上面計算圓的面積的示例代碼存在三個happens-
before關系：

A happens-before B；

B happens-before C；

A happens-before C；

這里的第3個happens-before關系，是根據(jù)happens-before的傳遞性推導出來的。

這里A happens-before B，但實際執(zhí)行時B卻可以排在A之前執(zhí)行（看上面的重排序后的執(zhí)行順序）。在第一章提到過，如果A happens-before B，JMM并不要求A一定要在B之前執(zhí)行。JMM僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。這里操作A的執(zhí)行結(jié)果不需要對操作B可見；而且重排序操作A和操作B后的執(zhí)行結(jié)果，與操作A和操作B按happens- before順序執(zhí)行的結(jié)果一致。在這種情況下，JMM會認為這種重排序并不非法（not illegal），JMM允許這種重排序。

在計算機中，軟件技術和硬件技術有一個共同的目標：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開發(fā)并行度。編譯器和處理器遵從這一目標，從happens-before的定義我們可以看出，JMM同樣遵從這一目標。

重排序?qū)Χ嗑€程的影響

現(xiàn)在讓我們來看看，重排序是否會改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果。請看下面的示例代碼：

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
        ……
    }
}
}

flag變量是個標記，用來標識變量a是否已被寫入。這里假設有兩個線程A和B，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入？

答案是：不一定能看到。

由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關系，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關系，編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。讓我們先來看看，當操作1和操作2重排序時，可能會產(chǎn)生什么效果？請看下面的程序執(zhí)行時序圖：

如上圖所示，操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時，線程A首先寫標記變量flag，隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時，變量a還根本沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了！

※注：本文統(tǒng)一用紅色的虛箭線表示錯誤的讀操作，用綠色的虛箭線表示正確的讀操作。

下面再讓我們看看，當操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果（借助這個重排序，可以順便說明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序的執(zhí)行時序圖：

在程序中，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(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。當接下來操作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。

參考文獻

Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th
Edition

Concurrent Programming on
Windows

Concurrent Programming in Java?: Design Principles and
Pattern

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

關于作者

程曉明，Java軟件工程師，系統(tǒng)分析師、信息項目管理師。專注于并發(fā)編程。個人郵箱：[email protected]。

請看下篇深入理解Java內(nèi)存模型（三）——順序一致性

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