文章目錄

• 定義
• 數(shù)據(jù)依賴性
• as-if-serial語義
• 程序順序規(guī)則
• 重排序?qū)Χ嗑€程的影響

定義

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進行重新排序的一種手段。

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數(shù)據(jù)依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性.

名稱代碼說明

寫后讀	a=1;b=a;	寫一個變量后，再讀這個位置
寫后寫	a=1;a=2	寫一個變量后，再寫這個變量
讀后寫	a=b;b=1;	讀一個變量后，再寫這個變量

上面3種情況，只要重排序兩個操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果就會被改變。

前面提到過，編譯器和處理器可能會對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序。

這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。

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as-if-serial語義

as-if-serial語義的意思是：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。

編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。

但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。

舉個例子 ： 計算圓面積

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

上面3個操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下所示

A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此最終執(zhí)行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會被改變）。

但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序。

as-if-serial語義把單線程程序保護了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器、runtime和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔(dān)心重排序會干擾他們，也無需擔(dān)心內(nèi)存可見性問題。

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程序順序規(guī)則

根據(jù)happens-before的程序順序規(guī)則，上面計算圓的面積的示例代碼存在3個happens-before關(guān)系。

1）A　happens-before B。 2）B　happens-before C。 3）A　happens-before C。

這里的第3個happens-before關(guān)系，是根據(jù)happens-before的傳遞性推導(dǎo)出來的。

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重排序?qū)Χ嗑€程的影響

我們來看看，重排序是否會改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果。 請看下面的示例代碼

public class AsIfSerial {private int a = 0;private boolean flag = false;public void wirte() {a = 1; // 操作1flag = true;// 操作2System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 更新后 a=" + a + " , flag=" + flag);}public void read() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 讀取值 a=" + a + " , flag=" + flag);if (flag) { // 操作3 int i = a * a; // 操作4System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行結(jié)果:" + i);}}}

flag變量是個標記，用來標識變量a是否已被寫入。這里假設(shè)有兩個線程A和B，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入呢？ ---------->不一定能看到.

由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。

讓我們先來看看，當操作1和操作2重排序時，可能會產(chǎn)生什么效果？

操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時，線程A首先寫標記變量flag，隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時，變量a還沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了！ （虛箭線標識錯誤的讀操作）

再讓我們看看，當操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果（借助這個重排序，可以順便說明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序執(zhí)行的時序圖

在程序中，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列執(zhí)行的并行度。

為此，編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a，然后把計算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖（Reorder Buffer，ROB）的硬件緩存中。當操作3的條件判斷為真時，就把該計算結(jié)果寫入變量i中。

從上圖中我們可以看出，猜測執(zhí)行實質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！

在單線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，不會改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

咋改呢 ？ 加 volatile

package com.artisan.test;public class AsIfSerial {// 共享變量： 實例域 （同一個對象的）private volatile int a = 0;// 共享變量： 實例域（同一個對象的）private volatile boolean flag = false;public void wirte() {a = 1;flag = true;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 更新后 a=" + a + " , flag=" + flag);}public void read() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 讀取值 a=" + a + " , flag=" + flag);if (flag) {int i = a * a;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行結(jié)果:" + i);}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 實例化出來一個對象AsIfSerial asIfSerial = new AsIfSerial();new Thread(() -> {asIfSerial.wirte();}, "WRITE").start();// sleep一下 確保 WRITE線程先啟動Thread.sleep(500);new Thread(() -> {asIfSerial.read();}, "READ").start();}}

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的高并发编程-重排序的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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