线程安年重排序 JMM和happenns-before

约定不等于承诺〃 2023-06-10 04:29 13阅读 0赞

线程安全的概念：  
当存在多线程操作相同的对象时，在java语义之下，无论系统怎么调度和交替执行，最终获取的结果都是相同且正确的，那么就是线程安全。

导致线程不安全的两个原因：  
主内存和线程工作内存数据不一致导致的（JMM结构）  
代码的重排序导致的

### JMM(java memory model)抽象结构模型 ###

CPU的处理速度和主存的读写速度不是一个量级的，为了平衡这种巨大的差距，每个CPU都会有缓存。因此，共享变量会先放在主存中，每个线程都有属于自己的工作内存，并且会把位于主存中的共享变量拷贝到自己的工作内存，之后的读写操作均使用位于工作内存的变量副本，并在某个时刻将工作内存的变量副本写回到主存中去。JMM就从抽象层次定义了这种方式，并且JMM决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程是可见的。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2gyNjA0Mzk2NzM5_size_16_color_FFFFFF_t_70][]上图为JMM抽象示意图，线程A和线程B之间要完成通信的话，要经历如下两步：  
线程A从主内存中将共享变量读入线程A的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中；  
线程B从主存中读取最新的共享变量

从横向去看看，线程A和线程B就好像通过共享变量在进行隐式通信。这其中有很有意思的问题，如果线程A更新后数据并没有及时写回到主存，而此时线程B读到的是过期的数据，这就出现了“脏读”现象。可以通过同步机制（控制不同线程间操作发生的相对顺序）来解决或者通过volatile关键字使得每次volatile变量都能够强制刷新到主存，从而对每个线程都是可见的。

### 重排序： ###

一个好的内存模型实际上会放松对处理器和编译器规则的束缚，也就是说软件技术和硬件技术都为同一个目标而进行奋斗：在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提高并行度。JMM对底层尽量减少约束，使其能够发挥自身优势。因此，在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：  
编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序；  
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序；  
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。

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如上图，1属于编译器重排序，而2和3统称为处理器重排序。这些重排序会导致线程安全的问题，一个很经典的例子就是DCL问题，这个在以后的文章中会具体去聊。针对编译器重排序，JMM的编译器重排序规则会禁止一些特定类型的编译器重排序；针对处理器重排序，编译器在生成指令序列的时候会通过插入内存屏障指令来禁止某些特殊的处理器重排序。  
那么什么情况下，不能进行重排序了？下面就来说说数据依赖性。有如下代码：

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

这是一个计算圆面积的代码，由于A,B之间没有任何关系，对最终结果也不会存在关系，它们之间执行顺序可以重排序。因此可以执行顺序可以是A->B->C或者B->A->C执行最终结果都是3.14，即A和B之间没有数据依赖性。具体的定义为：如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作有一个为写操作，此时这两个操作就存在数据依赖性这里就存在三种情况：1. 读后写；2.写后写；3. 写后读，者三种操作都是存在数据依赖性的，如果重排序会对最终执行结果会存在影响。编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖性关系的两个操作的执行顺序

### as-if-serial -单线程 ###

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提供并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器，runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器，runtime和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。比如上面计算圆面积的代码，在单线程中，会让人感觉代码是一行一行顺序执行上，实际上A,B两行不存在数据依赖性可能会进行重排序，即A，B不是顺序执行的。as-if-serial语义使程序员不必担心单线程中重排序的问题干扰他们，也无需担心内存可见性问题。

### happens-before为了解决什么问题？  ###

内存模型和重排序都会导致线程安全的问题，如果让程序员取详细了解内存、重排序，再编写安全的代码，成本太高了；  
为了让程序员轻松，但是也不能限制处理器和编译器对程序执行的优化，所以有了happens-before规则，程序员在该规则下可以编写线程安全的代码，处理器和编译器在该规则下充分优化程序执行。

### happens-before定义 ###

1）如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。  
2）两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。

上面的1）是JMM对程序员的承诺。从程序员的角度来说，可以这样理解happens-before关系：如果A happens-before B，那么Java内存模型将向程序员保证——A操作的结果将对B可见，且A的执行顺序排在B之前。注意，这只是Java内存模型向程序员做出的保证！  
上面的2）是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则。正如前面所言，JMM其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。JMM这么做的原因是：程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心，程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变（即执行结果不能被改变）。因此，happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

具体的一共有八项规则：  
程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。  
监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。  
volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。  
传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。  
start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。  
join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。  
程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。  
对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

JMM的两个方面：  
1. JMM的抽象结构（主内存和线程工作内存)  
2. 重排序以及happens-before规则。

jMM在开发过程中角色如下：

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链接：https://juejin.im/post/5ae6d309518825673123fd0e

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