如何深入理解Java多線程與并發框中重排序、屏障指令、as-if-serial規則

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一、重排序

前篇文章已經講了Java內存模型和與其三個特性：原子性、可見性、有序性。但事實上，為了提升程序的執行性能，編譯器 和 處理器 常常會對程序指令序列進行 重排序。

重排序分為以下幾種：

• 編譯器優化重排序

• 處理器重排序

• 指令級并行重排序

• 內存系統重排序

二、屏障指令

fence

內存屏障（Memory Barrier，或稱為內存柵欄，Memory Fence）是一種CPU指令，用于控制特定條件下的重排序和內存可見性問題。Java編譯器也會根據內存屏障的規則在一定程度地禁止重排序。

三、as-if-serial 語句

重排序也不能毫無規則，否則語義就變得不可讀， as-if-serial語句 給重排序戴上緊箍咒，起到約束作用。

as-if-serial語句規定重排序要滿足以下兩個規則：

• 在單線程環境下不能改變程序執行的結果；

• 存在數據依賴關系代碼（指令）片段的不允許重排序。

比如下面的代碼：

int a = 1;
// ①
int b = 2;
// ②
int c = a + b;
// 依賴于 ① 和 ②
return c;

可能會被優化成：

int b = 2;
// ②
int a = 1;
// ①
int c = a + b;
// 依賴于 ① 和 ②
return c;

上述的重排序既沒有改變單線程下程序運行的結果，又沒有對存在依賴關系的指令進行重排序。

四、happens-before 規則

產生的背景是為了確保多線程操作下具有內存可見性。

如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關系。換句話說，操作1 happens-before 操作2，那么操作1的結果是對操作2可見的。

這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內，也可以是在不同線程之間。

規則：

1. 程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens-before 于該線程中的任意后續操作

2. 監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖，happens-before 于隨后對這個鎖的加鎖

3. volatile變量規則：對一個volatile域的寫，happens-before 于任意后續對這個volatile域的讀

4. 傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C

5. start規則：如果線程A執行操作ThreadB.start()（啟動線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作

6. join規則：如果線程A執行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

as-if-serial 語句保證單線程環境下不能改變程序執行的結果，happens-before 規則保證多線程環境下不能改變程序執行的結果。

關于如何深入理解Java多線程與并發框中重排序、屏障指令、as-if-serial規則就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。