java指令重排序的問題，java指令排序

java指令重排序的問題，java指令排序

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指令重排序是個比較複雜、覺得有些不可思議的問題，同樣是先以例子開頭(建議大家跑下例子，這是實實在在可以重現的，重排序的機率還是挺高的)，有個感性的認識

/** * 一個簡單的展示Happen-Before的例子. * 這裡有兩個共用變數:a和flag,初始值分別為0和false.在ThreadA中先給     a=1,然後flag=true. * 如果按照有序的話,那麼在ThreadB中如果if(flag)成功的話,則應該a=1,而a=a*1之後a仍然為1,下方的if(a==0)應該永遠不會為 * 真,永遠不會列印. * 但實際情況是:在實驗100次的情況下會出現0次或幾次的列印結果,而實驗1000次結果更明顯,有十幾次列印. */public class SimpleHappenBefore {    /** 這是一個驗證結果的變數 */    private static int a=0;    /** 這是一個標誌位 */    private static boolean flag=false;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        //由於多線程情況下未必會試出重排序的結論,所以多試一些次        for(int i=0;i<1000;i++){            ThreadA threadA=new ThreadA();            ThreadB threadB=new ThreadB();            threadA.start();            threadB.start();            //這裡等待線程結束後,重設共用變數,以使驗證結果的工作變得簡單些.            threadA.join();            threadB.join();            a=0;            flag=false;        }    }    static class ThreadA extends Thread{        public void run(){        a=1;        flag=true;        }    }    static class ThreadB extends Thread{        public void run(){            if(flag){            a=a*1;            }            if(a==0){            System.out.println("ha,a==0");            }        }    }}

 

例子比較簡單，也添加了注釋，不再詳細敘述。
什麼是指令重排序？有兩個層面：
在虛擬機器層面，為了儘可能減少記憶體操作速度遠慢於CPU運行速度所帶來的CPU空置的影響，虛擬機器會按照自己的一些規則(這規則後面再敘述)將程式編寫順序打亂——即寫在後面的代碼在時間順序上可能會先執行，而寫在前面的代碼會後執行——以儘可能充分地利用CPU。拿上面的例子來說：假如不是a=1的操作，而是a=new byte[1024*1024](分配1M空間)`，那麼它會運行地很慢，此時CPU是等待其執行結束呢，還是先執行下面那句flag=true呢？顯然，先執行flag=true可以提前使用CPU，加快整體效率，當然這樣的前提是不會產生錯誤(什麼樣的錯誤後面再說)。雖然這裡有兩種情況：後面的代碼先於前面的代碼開始執行；前面的代碼先開始執行，但當效率較慢的時候，後面的代碼開始執行並先於前面的代碼執行結束。不管誰先開始，總之後面的代碼在一些情況下存在先結束的可能。
在硬體層面，CPU會將接收到的一批指令按照其規則重排序，同樣是基於CPU速度比緩衝速度快的原因，和上一點的目的類似，只是硬體處理的話，每次只能在接收到的有限指令範圍內重排序，而虛擬機器可以在更大層面、更多指令範圍內重排序。硬體的重排序機制參見《從JVM並發看CPU記憶體指令重排序(Memory Reordering)》
重排序很不好理解，上面只是簡單地提了下其情境，要想較好地理解這個概念，需要構造一些例子和圖表，在這裡介紹兩篇介紹比較詳細、生動的文章《happens-before俗解》和《深入理解Java記憶體模型（二）——重排序》。其中的“as-if-serial”是應該掌握的，即：不管怎麼重排序，單線程程式的執行結果不能被改變。編譯器、運行時和處理器都必須遵守“as-if-serial”語義。拿個簡單例子來說，

public void execute(){    int a=0;    int b=1;    int c=a+b;}

 

 

這裡a=0,b=1兩句可以隨便排序，不影響程式邏輯結果，但c=a+b這句必須在前兩句的後面執行。
從前面那個例子可以看到，重排序在多線程環境下出現的機率還是挺高的，在關鍵字上有volatile和synchronized可以禁用重排序，除此之外還有一些規則，也正是這些規則，使得我們在平時的編程工作中沒有感受到重排序的壞處。
程式次序規則(Program Order Rule)：在一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作。準確地說應該是控制流程順序而不是代碼順序，因為要考慮分支、迴圈等結構。
監視器鎖定規則(Monitor Lock Rule)：一個unlock操作先行發生於後面對同一個對象鎖的lock操作。這裡強調的是同一個鎖，而“後面”指的是時間上的先後順序，如發生在其他線程中的lock操作。
volatile變數規則(Volatile Variable Rule):對一個volatile變數的寫操作發生於後面對這個變數的讀操作，這裡的“後面”也指的是時間上的先後順序。
線程啟動規則(Thread Start Rule)：Thread獨享的start()方法先行於此線程的每一個動作。
線程終止規則(Thread Termination Rule)：線程中的每個操作都先行發生於對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的傳回值檢測到線程已經終止執行。
線程中斷規則(Thread Interruption Rule)：對線程interrupte()方法的調用優先於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測線程是否已中止。
對象終結原則(Finalizer Rule)：一個對象的初始化完成(建構函式執行結束)先行發生於它的finalize()方法的開始。
傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發生於操作B，操作B先行發生於操作C，那就可以得出操作A先行發生於操作C的結論。
正是以上這些規則保障了happen-before的順序，如果不符合以上規則，那麼在多線程環境下就不能保證執行順序等同於代碼順序，也就是“如果在本線程中觀察，所有的操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另外一個線程，則不符合以上規則的都是無序的”，因此，如果我們的多線程程式依賴於代碼書寫順序，那麼就要考慮是否符合以上規則，如果不符合就要通過一些機制使其符合，最常用的就是synchronized、Lock以及volatile修飾符。