多线程三大特性——重排序

public class ReorderingTest {
    private static boolean ready;
    private static int number;

    private static class ReaderThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(number);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new ReaderThread().start();
        number = 42;
        ready = true;
    }
}

《Java并发编程实战》的一个例子：ReaderThread线程可能会输出0。执行线程可能看到了写入ready的值，但却没有看到之后写入number的值。这种现象称为“重排序（Reordering）”。

指令重排序

Java语言规范JVM线程内部维持顺序化语义，即只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致，这个过程就叫做指令的重排序。

指令重排序的意义：在Java中，JVM能够根据处理器特性（CPU多级缓存系统、多核处理器等）适当对机器指令进行重排序，最大限度发挥机器性能。

Java中的指令重排序有两次，第一次发生在将字节码编译成机器码的阶段，第二次发生在CPU执行的时候，也会适当对指令进行重排。

为了尽可能减少内存操作速度远慢于CPU运行速度所带来的CPU空置的影响，虚拟机会按照自己的一些规则将程序编写顺序打乱——即写在后面的代码在时间顺序上可能会先执行，而写在前面的代码会后执行——以尽可能充分地利用CPU。

private static byte[] a = new byte[1024*1024];

private static boolean flag=false;

JVM先执行 a=new byte[1024*1024](分配1M空间)，那么它会运行地很慢，此时CPU是等待其执行结束呢，还是先执行下面那句flag=true呢？显然，先执行flag=true可以提前使用CPU，加快整体效率，当然这样的前提是不会产生错误。

这里有两种情况：后面的代码先于前面的代码开始执行；前面的代码先开始执行，但当效率较慢的时候，后面的代码开始执行并先于前面的代码执行结束。不管谁先开始，总之后面的代码在一些情况下存在先结束的可能。

指令重排序的类型

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做重排序。重排序分三种类型：

• 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（代码中不包含synchronized关键字），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（Instruction-Level Parallelism， ILP）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。

从java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

上述第一个类型属于编译器重排序，第2和第3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel称之为memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

处理器重排序

现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致。

这里处理器A和处理器B可以同时把共享变量写入自己的写缓冲区（A1，B1），然后从内存中读取另一个共享变量（A2，B2），最后才把自己写缓存区中保存的脏数据刷新到内存中（A3，B3）。当以这种时序执行时，程序就可以得到a=b=0的结果。

从内存操作实际发生的顺序来看，直到处理器A执行A3来刷新自己的写缓存区，写操作A1才算真正执行了。虽然处理器A执行内存操作的顺序为：A1->A2，但内存操作实际发生的顺序却是：A2->A1。此时，处理器A的内存操作顺序被重排序了。

这里的关键是，由于写缓冲区仅对自己的处理器可见，它会导致处理器执行内存操作的顺序可能会与内存实际的操作执行顺序不一致。由于现代的处理器都会使用写缓冲区，因此现代的处理器都会允许对写-读操作重排序。

注：上表单元格中的“N”表示处理器不允许两个操作重排序，“Y”表示允许重排序。

从上表我们可以看出：常见的处理器都允许Store-Load重排序；常见的处理器都不允许对存在数据依赖的操作做重排序。sparc-TSO和x86拥有相对较强的处理器内存模型，它们仅允许对写-读操作做重排序（因为它们都使用了写缓冲区）。
 

禁止指令重排序

对象溢出

public class Singleton {
    private /**volatile**/ static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

创建类实例的步骤：

1、memory = allocate() 分配对象内存空间

2、ctorInstance() 初始化对象

3、instance = memory 指针重定向

由于JVM和CPU优化，多线程环境下可能会发生指令重排序，顺序变为1、3、2。此时对象还没有完成初始化，可能就会出现一个线程检测到instance不为空，而直接获取instance去使用对象导致错误。

发布对象：使一个对象能被当前范围之外的代码所使用。

对象溢出：一种错误的发布。当一个对象还没有构造完成时，就使它被其他线程所见。

虚拟机规范

as-if-serial

数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。数据依赖分下列三种类型，只要重排序两个操作的执行顺序，程序的执行结果将会被改变：

注：这里所说的数据依赖性仅针对单个处理器中执行的指令序列和单个线程中执行的操作，不同处理器之间和不同线程之间的数据依赖性不被编译器和处理器考虑。

编译器和处理器可能会对操作做重排序。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关系的两个操作的执行顺序。

as-if-serial语义

不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（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。为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。

操作之间不存在数据依赖关系，这些操作可能被编译器和处理器重排序。

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

A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变）。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。

A------------>B----------------C  //按程序顺序执行结果 area = 3.14
B------------>A----------------C  //重排序后的执行结果 area = 3.14

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。as-if-serial语义使单线程程序员无需担心重排序会干扰他们，也无需担心内存可见性问题。
 

Happens-Before

两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前（the first is visible to and ordered before the second）

内存屏障

内存屏障正是通过阻止屏障两边的指令重排序来避免编译器和硬件的不正确优化而提出的一种解决办法。

CPU

指令原语：(intel) lfence sfence mfence(mixed fence) 原语前后的指令不能重排序

总线锁：原子指令如x86上的lock...指令是一个full barrier，执行时会锁住内存子系统保证执行顺序，甚至跨多个cpu。

lock用于在多处理器中执行指令时对共享内存的独占使用。它的副作用是能够将当前处理器对应缓存的内容刷新到内存，并使其他处理器对应的缓存失效。另外还提供了有序的指令无法越过这个内存屏障的作用。

文献

JVM(十一)Java指令重排序_keep_trying的专栏-CSDN博客_java指令重排序

多线程基础——内存屏障_城南孔乙己的专栏-CSDN博客