深入浅出Java多线程(七)：重排序与Happens-Before

引言

大家好，我是你们的老伙计秀才！今天带来的是[深入浅出Java多线程]系列的第七篇内容：重排序与Happens-Before。大家觉得有用请点赞，喜欢请关注！秀才在此谢过大家了！！！

在上一篇文章中，我们简单提了一下重排序与Happens-Before。在这篇文章中我们将深入讲解一下重排序与Happens-Before，然后再结合Java内存模型一起学习。让大家对Java内存模型和重排序与Happens-Before有更加深入的了解。

在当今的计算机系统中，多线程编程已经成为提升应用程序性能和响应能力的关键技术。Java作为现代开发语言中的翘楚，提供了强大的多线程支持，并通过Java内存模型（JMM）来规范并确保多线程环境下数据的正确性和一致性。然而，在追求高性能的过程中，编译器优化以及处理器为了最大化利用指令级并行性而引入的重排序机制成为程序员理解并发行为时的一大挑战。

重排序，简单来说，是指编译器或处理器为了提高执行效率，在不改变单线程程序结果的前提下，对指令进行重新排列的一种策略。例如，当两个独立操作之间不存在数据依赖时，处理器可以灵活调整它们的执行顺序，使得流水线处理更高效，从而避免不必要的等待时间。但是，这种灵活性在多线程环境中可能带来不确定性，因为不同的线程可能观察到由于重排序而导致的不同内存状态，进而引发难以预测的行为和潜在的错误。

为了更好地管理这种复杂性，Java内存模型定义了happens-before原则，这一概念为开发者提供了一套简洁且强健的规则，以保证跨线程的内存可见性和执行顺序的一致性。比如，根据天然的happens-before关系，一个线程内按代码顺序执行的操作具有先行发生的关系；监视器锁的解锁操作必定先于后续对该锁的加锁操作；volatile变量的写入操作会先行于任何后续对同一volatile变量的读取操作。

下面举个简单的例子说明happens-before规则的应用：

int a = 1; // 操作A
int b = 2; // 操作B
int sum = a + b; // 操作C

System.out.println(sum);

在这个单一线程的示例中，虽然JVM理论上可能对操作A和操作B进行重排序（例如先执行B后执行A），但由于happens-before规则的存在，我们可以确定操作A的结果（a=1）对于操作C是可见的，即无论实际执行顺序如何，最终输出的sum值总是3。而在多线程场景下，happens-before原则更为重要，它能帮助我们构建出符合预期的同步逻辑，防止因重排序带来的数据竞争与不一致现象。

因此，深入理解和应用重排序与happens-before原则对于编写稳定、高效的Java多线程程序至关重要，它能够帮助开发者有效地规避并发陷阱，确保程序在高度并发环境下的正确运行。本文将详细介绍重排序的类型及其影响，同时结合Java内存模型阐述happens-before规则的具体内容和应用场景，以便读者能够在实践中合理运用这些理论知识。

重排序的概念与分类

在Java多线程编程中，重排序是一个至关重要的概念，它直接影响到并发程序的执行结果和内存可见性。重排序是指编译器或处理器为了优化性能，在不违反单线程语义的前提下，对指令执行顺序进行调整的过程。

定义重排序
在计算机系统内部，程序中的指令并非严格按照源代码的顺序执行。当一个CPU核心通过流水线技术处理指令时，若前一条指令未完成但不影响后续指令的执行，处理器可能会提前执行下一条或多条指令。同样地，编译器在生成机器代码的过程中也可能出于优化目的重新安排源代码的执行顺序。这种现象就被称为指令重排序。

例如，考虑以下简单的操作序列：

int a = 1;
int b = 2;
int sum = a + b;

理论上，编译器或处理器可以将加载b的值的操作提前到计算a + b之前，只要这样的重排不会改变单线程程序的预期输出结果。

重排序的类型
重排序主要分为以下三种：

编译器优化重排：编译器在翻译高级语言为低级语言时，会进行各种优化措施，如删除冗余代码、合并循环内的不变量计算等。其中一个优化就是指令调度，编译器根据数据依赖关系分析出哪些指令之间可以互换顺序而不影响最终的单线程执行结果。
指令并行重排：现代处理器普遍采用了指令级并行技术，允许若干条无数据依赖性的指令同时执行。比如，两个独立变量间的赋值操作可以交错进行，因为它们的结果彼此独立，不需要等待对方完成。在这种情况下，处理器层面的乱序执行机制实际上也是一种重排序。
内存系统重排：在多级缓存系统中，由于缓存一致性协议的存在，不同线程在读取或写入同一变量时可能观察到不同的执行顺序。例如，某个线程先进行了一个写操作，但由于缓存未及时刷新至主内存，其他线程可能无法立即看到这个写操作的结果，这就表现为一种内存系统的重排序。

综上所述，虽然重排序提高了CPU利用率和程序执行效率，但它也可能引入了潜在的多线程问题，尤其是在没有正确同步的情况下，可能导致不可预测的行为和数据竞争。为此，Java内存模型（JMM）通过happens-before规则来限制重排序，并确保在正确同步的多线程环境中，各线程能观察到一致且符合预期的内存状态。

顺序一致性模型与JMM保证

顺序一致性模型
顺序一致性内存模型是一种理想化的理论模型，它假设程序在单线程和多线程环境中的执行都像在一个全局的、严格的串行环境中进行。在这个模型中，有两个核心特性：

单线程内部操作顺序性：一个线程内的所有操作必须按照它们在源代码中出现的顺序来执行。
全局操作视图的一致性：不论程序是否同步，所有线程看到的操作顺序都是相同的，即每个操作对所有线程而言都是原子且立即可见的。

例如，在两个并发线程A和B中，如果线程A有三个操作A1、A2、A3，线程B有三个操作B1、B2、B3，并且线程A正确释放锁后线程B获取同一把锁，那么在顺序一致性模型下，两个线程会观察到一个整体有序的操作序列，如 A1->A2->A3->B1->B2->B3。

然而，实际硬件和编译器并不遵循如此严格的顺序一致性模型，而是允许一定的指令重排序以提升性能。

数据竞争与顺序一致性
当程序没有进行正确的同步控制时，就可能出现数据竞争问题。数据竞争指的是在一个线程内写入变量的同时，另一个线程读取了同一个变量，且这两个操作之间没有通过任何同步机制来确保执行顺序。这种情况下，程序的行为可能变得不可预测，例如读取到未更新的数据或者状态混乱。

// 示例：数据竞争
class DataRaceExample {
    int sharedValue = 0;

    Thread writerThread = new Thread(() -> {
        sharedValue = 1; // 写操作
    });

    Thread readerThread = new Thread(() -> {
        int localCopy = sharedValue; // 读操作
        System.out.println("Reader sees: " + localCopy);
    });

    public void startThreads() {
        writerThread.start();
        readerThread.start(); // 数据竞争，因为没有同步措施
    }
}

在这个示例中，读者线程可能会在写者线程完成赋值之前就读取sharedValue，从而导致结果不确定。

JMM对未同步程序的限制
Java内存模型（JMM）并没有承诺为未正确同步的多线程程序提供与顺序一致性模型一致的执行效果。对于未同步的程序，JMM仅提供了最小安全性保证——即一个线程读取到的值要么是其他线程之前写入的值，要么是初始化的默认值。

为了实现这一最低安全边界，JVM在堆上分配对象时，会先清零整个内存区域再进行对象的构造，以确保即使在并发环境下也能避免无中生有的数据现象。

尽管JMM没有强制要求所有操作对所有线程立即可见，但它针对使用了关键字synchronized、volatile以及final等正确同步的代码部分做出了明确的内存一致性保证。在临界区（synchronized块或方法）内，虽然可以发生重排序，但JMM通过锁的内存语义确保了这些重排序不会被其他线程观测到。同时，在进入和退出临界区时，JMM通过特殊处理使得临界区内代码能够获得如同顺序一致性模型下的内存视图，进而确保正确同步程序的执行结果与顺序一致性模型中的执行结果相同。

happens-before原则详解

happens-before概念
在Java内存模型（JMM）中，happens-before关系是一种定义线程间操作执行顺序的准则。它确保了如果一个操作A happens-before 操作B，那么操作A的结果对操作B是可见的，并且操作A的执行顺序发生在操作B之前。这一原则为程序员提供了一种简洁的方式来理解多线程环境中的内存可见性和执行顺序保证。

天然的happens-before关系
Java语言中存在着一系列天然的happens-before关系：

程序顺序规则：在一个线程内部，按照源代码顺序执行的每个操作都happens-before该线程内任意后续的操作。
```
int x = 0; // A操作
x = 1;    // B操作
```
在此例中，根据程序顺序规则，操作A（初始化x为0）happens-before操作B（将x赋值为1）。

监视器锁规则：对同一个锁对象解锁操作happens-before随后对该锁的加锁操作。

synchronized (lock) {
    // 写操作...
    lock.unlock(); // unlock happens-before 下一次的 lock()
}
synchronized (lock) {
    lock.lock(); // 加锁操作，在unlock之后
    // 读操作...
}

volatile变量规则：对volatile变量的写操作happens-before于任意后续对同一volatile变量的读操作。

volatile boolean ready = false;

void writer() {
    ready = true; // 写操作
}

void reader() {
    if (ready) { // 读操作
        // 执行相关逻辑
    }
}

传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么可以推导出A happens-before C。
start规则：线程A启动线程B，那么线程A中调用ThreadB.start()的操作happens-before线程B内的任何操作。
join规则：线程A成功地调用线程B的join()方法并返回，意味着线程B中的所有操作happens-before线程A从join()方法返回后执行的任何操作。

重排序与happens-before的关系
JMM允许两种类型的重排序：不会改变程序执行结果的重排序和会改变结果的重排序。对于前者，编译器和处理器可以自由进行优化；而对于后者，JMM严格禁止。

例如，在单线程环境下，虽然可能存在指令重排序使得操作A和操作B的执行顺序与源码顺序不一致，但如果操作A和操作B之间存在happens-before关系，则无论实际执行时如何重排，操作A对操作B的可见性都将得到保障。

int a = 1; // A操作
int b = 2; // B操作
int sum = a + b; // C操作

System.out.println(sum);

在这个例子中，尽管编译器或处理器可能会对操作A和操作B进行重排序，但由于它们在同一线程内按源代码顺序执行，因此遵循程序顺序规则，即使发生重排序也不会影响最终结果。因此，happens-before原则确保了只要正确遵守这些规则，程序员就无需关心具体实现层面的指令重排序，而能够专注于程序本身的逻辑。

总的来说，happens-before原则为Java多线程编程提供了强有力的工具来理解和控制并发环境下的内存行为，通过合理利用这些规则，可以避免数据竞争和不确定性的出现，确保程序在多线程场景下表现出预期的一致性和正确性。

注意事项

总结上述讨论，重排序是多线程编程中不可忽视的重要概念。为了提高程序执行效率，编译器和处理器会进行指令重排，然而这种优化在并发环境下可能引入不确定性，导致数据竞争、内存一致性问题以及难以预测的程序行为。为了解决这些问题，Java内存模型（JMM）通过定义happens-before原则提供了对多线程程序执行顺序的明确约定。

在实践中，理解并正确应用happens-before规则至关重要：

确保同步逻辑：利用Java语言中的天然happens-before关系如监视器锁规则（synchronized关键字）、volatile变量规则等来创建明确的操作顺序约束。例如，在一个多线程共享资源的场景中，使用synchronized方法或块确保写操作完成后才能读取该资源，从而避免数据竞争。
```
class SharedResource {
    private int sharedValue;

    public synchronized void write(int newValue) {
        this.sharedValue = newValue;
    }

    public synchronized int read() {
        return this.sharedValue;
    }
}
```
识别潜在的数据竞争：如果程序中存在未同步访问共享变量的情况，应仔细审查代码以识别潜在的数据竞争，并通过适当的同步机制来消除。例如，若两个线程同时读写一个非volatile变量，则可能导致结果不确定，此时应当声明变量为volatile或使用锁来保证可见性和有序性。
遵循happens-before原则编写并发代码：在设计并发组件时，要牢记happens-before规则，确保操作之间的依赖关系得到妥善处理。例如，可以利用start/join规则来构建线程间的happens-before链，确保一个线程完成特定任务后，其他线程能够看到其更新的结果。
测试与调试：在开发过程中，通过单元测试和多线程环境下的集成测试验证程序在不同情况下的行为是否符合预期。对于复杂的并发问题，可利用Java提供的工具如Atomic类、ThreadLocal变量以及各种并发容器来简化并发控制，同时结合Java内存模型的理解来排查和修复因重排序引发的问题。

总之，深入理解和运用重排序及happens-before原则能有效指导开发者编写出更稳定、一致且高效的多线程Java应用程序。在实际项目中，务必重视并发控制和内存可见性问题，不断实践和优化同步策略，从而提升程序在并发环境下的表现。

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