java多线程（三）重排序与Happens-Before

一、重排序

1.1 指令重排定义和含义

定义：重排序是指编译器和处理器为了提高程序执行效率，在不改变单线程程序执行结果的前提下，对指令执行顺序进行重新排列的一种优化手段。

重排序可以发生在编译器优化阶段，也可以发生在处理器执行指令阶段。

含义：

• 编译器优化的重排序：编译器在将高级语言代码转换成机器代码时，会进行各种优化，包括指令调度，即根据数据依赖关系分析哪些指令可以互换顺序而不影响最终执行结果。

• 指令级并行的重排序：现代处理器普遍采用指令级并行技术（ILP），允许多条无数据依赖性的指令同时执行，这实际上也是一种重排序。

• 内存系统的重排序：由于处理器使用了缓存和读写缓冲区，加载和存储操作可能看上去是乱序执行的，这也是一种内存系统的重排序。

1.2 指令重排序的意义

指令重排序是现代处理器为了提高程序执行速度而采用的一种优化技术。

其意义在于：

1. 提高执行效率：处理器可以根据指令之间的依赖关系和资源情况，重新安排指令的执行顺序，从而充分利用多个执行单元并发执行指令，减少指令的等待时间，加快程序的执行速度。

2. 优化资源利用：指令重排序可以优化处理器内部资源的利用，如运算单元、缓存和寄存器等。通过重新排序指令，处理器可以减少资源的空闲时间，提高资源的利用率。

3. 增加并行性：指令重排序可以增加指令级的并行性，使处理器能够同时执行多条指令，提高系统的整体性能和响应速度。

1.3 示例说明

在Java中，指令重排序通常是由JVM（Java虚拟机）或底层硬件自动完成的，不需要程序员直接干预。

但是，指令重排序可能导致多线程程序中的数据不一致性问题。

以下是一个简单的Java代码示例，说明指令重排序可能引发的问题：

public class ReorderExample {private int a = 0;private boolean flag = false;public void method1() {a = 1; // 语句1flag = true; // 语句2}public void method2() {if (flag) { // 语句3int temp = a + 5; // 语句4，这里假设我们要使用a的值System.out.println(temp);}}
}

假设method1和method2分别在两个不同的线程中执行，我们期望在flag为true时，a的值已经为1，因此temp的值为6。

然而，由于指令重排序，语句1和语句2的执行顺序可能会互换，导致在method2中flag为true时，a的值可能还是0，从而输出错误的结果。

为了避免这种问题，Java提供了volatile关键字或synchronized同步块来确保内存可见性和有序性。

二、Happens-Before

2.1 Happens-Before的定义和含义

定义：Happens-Before是Java内存模型（JMM）中的一个核心概念，用于定义两个操作之间的内存可见性和执行顺序关系。

如果一个操作A happens-before 另一个操作B，那么A的执行结果将对B可见，且A的执行顺序排在B之前。

含义：

• 内存可见性：保证了一个线程的操作结果对另一个线程可见，这是多线程编程中保证数据一致性的关键。

• 执行顺序：虽然Happens-Before关系不严格要求物理执行顺序，但它为程序员提供了一个可依赖的逻辑顺序，使得并发程序的编写和理解变得更为简单。

2.2 Happens-Before 与 JMM

Happens-Before是Java内存模型（JMM）中的一个重要概念，用于定义两个操作之间的内存可见性顺序。

如果一个操作A happens-before另一个操作B，那么操作A的结果对操作B是可见的，即操作B在执行时能够看到操作A的结果。

JMM通过Happens-Before规则来确保多线程程序的内存可见性和有序性，避免数据不一致的问题。这些规则包括：

1. 程序顺序规则：在同一个线程内，按照程序代码的顺序，书写在前面的操作happens-before于书写在后面的操作。

2. 锁规则：对一个锁的解锁操作happens-before于随后对这个锁的加锁操作。

3. volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before于随后对这个volatile变量的读操作。

4. 线程启动规则：Thread对象的start()方法调用happens-before于此线程的每一个操作。

5. 线程终止规则：线程中的所有操作都happens-before于其他线程检测到该线程已经终止（例如，通过Thread.join()方法等待线程结束）。

2.3 示例说明

以下是一个使用volatile变量来演示Happens-Before规则的Java代码示例：

public class VolatileExample {private volatile boolean flag = false;private int number = 0;public void writer() {number = 42; // 语句1flag = true; // 语句2}public void reader() {if (flag) { // 语句3System.out.println(number); // 语句4，这里假设我们要读取number的值}}
}

在这个例子中，由于flag变量被声明为volatile，根据Happens-Before的volatile变量规则，对flag的写操作（语句2）happens-before对flag的读操作（语句3）。

因此，当读操作看到flag为true时，它一定能看到之前对number的写操作（语句1）的结果，即number的值为42。

这确保了多线程程序中的内存可见性，避免了由于指令重排序导致的数据不一致问题。

三、最后

• 多线程编程：在多线程环境下，重排序可能导致数据竞争和不一致现象，而Happens-Before原则为程序员提供了一套规则，确保跨线程的内存可见性和执行顺序的一致性。

• 性能优化：编译器和处理器通过重排序优化指令执行顺序，提高CPU利用率和程序执行效率。然而，这种优化必须在不改变程序执行结果的前提下进行。

• 保证数据一致性：在多线程程序中，数据一致性的保证是并发编程的核心问题之一。Happens-Before原则通过定义操作之间的内存可见性和执行顺序关系，为程序员提供了编写正确同步多线程程序的依据。

• 提高程序执行效率：重排序作为一种优化手段，能够在不改变单线程程序执行结果的前提下，显著提高程序执行效率。然而，这种优化必须谨慎进行，以避免引入多线程问题。

这里先备注一下，没学懂。用不用volatile感觉没什么区别。