java happens before_JUC之Java并发基础篇——指令重排与happens-before

爱被打了一巴掌 2022-11-03 11:10 5阅读 0赞

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器会对指令做一些优化，即指令重排序。但是，重排序也要有一定的标准和依据，否则，就会出现程序不受控制，结果与预期不一致。所以，重排序一定要保证，在重排序后，程序的逻辑不发生改变。保证语义，有 as-if-serial ；保证内存可见性， Java 编程语言规范中，也有 happens-before 规则对其进行限制。

指令重排

经典案例

先从一个经典案例来看下指令重排是否真的存在。

34public class MyTest\{

private static int x = 0, y = 0;

private static int a = 0, b =0;

public static void main(String\[\] args) throws InterruptedException\{

int i = 0;

while(true) \{

i++;

x = 0; y = 0;

a = 0; b = 0;

Thread one = new Thread(() -> \{

a = 1;

x = b;

\});

Thread two = new Thread(() -> \{

b = 1;

y = a;

\});

one.start();two.start();

one.join();two.join();

String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + ")";

if(x == 0 && y == 0) \{

System.err.println(result);

break;

\} else \{

System.out.println(result);

考虑到多线程，如果指令不重排，那么输出结果只会出现以下三种：

第 \*\*\* 次 (0,1)

第 \*\*\* 次 (1,1)

第 \*\*\* 次 (1,0)

而实际中，出现了下面的结果

第4403次 (1,0)

第4404次 (1,0)

第4405次 (0,1)

第4406次 (0,1)

第4407次 (0,1)

第4408次 (0,1)

第4409次 (0,0)

…. 修改代码跑出 1,1 来 ….

第1069712次 (1,1)

出现了 0,0 这个结果，说明出现了指令重排，否则，至少会出现一个 1 才对。

as-if-serial语义

前文有说，重排序要保证程序的逻辑不变性。具体点就是，单线程环境下，程序的行为和结果不能发生变化。这就是所谓的 as-if-serial 语义。而要保证这点，对于有依赖关系的前后操作，不能进行重排序。

3int x = 1;

int y = 2;

int z = x + y;

所以上述代码，一二行可以进行重排，因为二者不存在任何依赖关系。而第三行不能重排至一二行之前，因为第三行依赖于前两行的数据结果。

异常情况下的重排序

那么，如果在满足 as-if-serial 的情况下进行了重排序，运行中发了异常呢？

12public static void main(String\[\] args)\{

int x = 1;

int y = 2;

try \{

x = 3;

y = 2 / 0;

\} catch (Exception e) \{

e.printStackTrace();

\} finally \{

System.out.println("x = " + x);

x 和 y 并不存在依赖关系，所以可以进行指令重排，理论上打印结果会出现 x = 1 的情况，但是实没并不会这样。这是因为编译器在处理这种情况时，会在 catch 语句中插入补偿代码，以保证 as-if-serial 语义。

happens-before

上文提到，指令重排要保证 as-if-serial 语义，但是只对单线程有效。那么，如果在多线程情况下，如果不加限制，那么工作内存和主内存再加上重排序，一定会出现各种乱七八糟的问题。所以一定要有一个规则，来保证内存可见性。从 JDK5 起， JMM 就完善了 happens-before 来强调两个操作的顺序。

含义

happends-before 不要理解为谁谁早于谁谁发生，不然你会一直弄不清这个规则说的到底是什么。happens-before 说的是两个操作的可见性。

两个操作可以用 happens-before 来确定它们的执行顺序。如果一个操作 happens-before 于另一个操作，那么我们说第一个操作优先且对于第二个操作是可见的。

如果我们有 x 和 y 两个操作，我们用 hb(x, y) 来表示 x happens-before y

如果 x 和 y 是同一个线程的两个操作且在代码上 x 先于 y ，那么有 hb(x, y)

对象构造方法的最后一行指令 happens-before 于 finalize() 方法的第一行指令。

如果操作 x 与随后的操作 y 构成同步，那么 hb(x, y)。

hb(x, y) 和 hb(y, z)，那么可以推断出 hb(x, z)

具体规则

上面所说可以简化成以下列表：

锁规则

对一个监视器的解锁操作 happens-before 于后续的对这个监视器的加锁操作