如何深入理解Java多线程与并发框中重排序、屏障指令、as-if-serial规则

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一、重排序

前篇文章已经讲了Java内存模型和与其三个特性：原子性、可见性、有序性。但事实上，为了提升程序的执行性能，编译器 和 处理器 常常会对程序指令序列进行 重排序。

重排序分为以下几种：

• 编译器优化重排序

• 处理器重排序

• 指令级并行重排序

• 内存系统重排序

二、屏障指令

fence

内存屏障（Memory Barrier，或称为内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则在一定程度地禁止重排序。

三、as-if-serial 语句

重排序也不能毫无规则，否则语义就变得不可读， as-if-serial语句 给重排序戴上紧箍咒，起到约束作用。

as-if-serial语句规定重排序要满足以下两个规则：

• 在单线程环境下不能改变程序执行的结果；

• 存在数据依赖关系代码（指令）片段的不允许重排序。

比如下面的代码：

int a = 1;
// ①
int b = 2;
// ②
int c = a + b;
// 依赖于 ① 和 ②
return c;

可能会被优化成：

int b = 2;
// ②
int a = 1;
// ①
int c = a + b;
// 依赖于 ① 和 ②
return c;

上述的重排序既没有改变单线程下程序运行的结果，又没有对存在依赖关系的指令进行重排序。

四、happens-before 规则

产生的背景是为了确保多线程操作下具有内存可见性。

如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。换句话说，操作1 happens-before 操作2，那么操作1的结果是对操作2可见的。

这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

规则：

1. 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

2. 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

3. 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

4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

5. 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

6. 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。

as-if-serial 语句保证单线程环境下不能改变程序执行的结果，happens-before 规则保证多线程环境下不能改变程序执行的结果。

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