Java中的重排序

原创
06/22 00:01
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1. 重排序

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:

  1. 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,可以重新安排语句的执行顺序。
  2. 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。
  3. 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:
上述的1属于编译器重排序,2和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)。

2. 处理器重排序

现代的处理器(物理处理器即CPU)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:处理器排序后对内存的读/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!为了具体说明,请看下面示例:

假设处理器A和处理器B按程序的顺序并行执行内存访问,最终却可能得到x = y = 0的结果。具体的原因如下图所示:

A3->A2-B2->A1->B1;//指令并不会按照程序的顺序执行,这样的话,和你预想的结果天壤之别

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-读操做重排序。

下面是常见处理器允许的重排序类型的列表:

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)
※注1:sparc-TSO是指以TSO(Total Store Order)内存模型运行时,sparc处理器的特性。
※注2:上表中的x86包括x64及AMD64。
※注3:由于ARM处理器的内存模型与PowerPC处理器的内存模型非常类似,本文将忽略它。
※注4:数据依赖性后文会专门说明。

3. 内存屏障指令

为了保证内存可见性,java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM把内存屏障指令分为下列四类:

屏障类型 指令示例 说明
LoadLoad Barriers Load1; LoadLoad; Load2 确保Load1所要读入的数据能够在被Load2和后续的load指令访问前读入。通常能执行预加载指令或/和支持乱序处理的处理器中需要显式声明Loadload屏障,因为在这些处理器中正在等待的加载指令能够绕过正在等待存储的指令。 而对于总是能保证处理顺序的处理器上,设置该屏障相当于无操作。
StoreStore Barriers Store1; StoreStore; Store2 确保Store1的数据在Store2以及后续Store指令操作相关数据之前对其它处理器可见(例如向主存刷新数据)。通常情况下,如果处理器不能保证从写缓冲或/和缓存向其它处理器和主存中按顺序刷新数据,那么它需要使用StoreStore屏障。
LoadStore Barriers Load1; LoadStore; Store2 确保Load1的数据在Store2和后续Store指令被刷新之前读取。在等待Store指令可以越过loads指令的乱序处理器上需要使用LoadStore屏障。
StoreLoad Barriers Store1; StoreLoad; Load2 确保Store1的数据在被Load2和后续的Load指令读取之前对其他处理器可见。StoreLoad屏障可以防止一个后续的load指令 不正确的使用了Store1的数据,而不是另一个处理器在相同内存位置写入一个新数据。正因为如此,所以在下面所讨论的处理器为了在屏障前读取同样内存位置存过的数据,必须使用一个StoreLoad屏障将存储指令和后续的加载指令分开。Storeload屏障在几乎所有的现代多处理器中都需要使用,但通常它的开销也是最昂贵的。它们昂贵的部分原因是它们必须关闭通常的略过缓存直接从写缓冲区读取数据的机制。这可能通过让一个缓冲区进行充分刷新(flush),以及其他延迟的方式来实现。

StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障,它同时具有其他三个屏障的效果。现代的多处理器大都支持该屏障(其他类型的屏障不一定被所有处理器支持)。执行该屏障开销会很昂贵,因为当前处理器通常要把写缓冲区中的数据全部刷新到内存中(buffer fully flush)。

4. 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:

上面三种情况,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。

前面提到过,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。 注意,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。

as-if-serial语义
as-if-serial语义的意思指: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。

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

如上图所示,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。下图是该程序的两种执行顺序:

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。

5. 先行发生(happens-before)原则

用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。在JMM中,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 。

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) 。

1)如果一个操作happens-before另一个操作,那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。(对程序员来说)

2)两个操作之间存在happens-before关系,并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果,与按happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序是允许的(对编译器和处理器 来说)

在Java 规范提案中为让大家理解内存可见性的这个概念,提出了happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。对应Java程序员来说,理解happens-before是理解JMM的关键。JMM这么做的原因是:程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心,程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变(即执行结果不能被改变)。因此,happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变,happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

happens-before原则:
1)程序次序规则:在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排,但是随便它怎么排,结果是按照我们代码的顺序生成的不会变。
2)管程锁定规则:就是无论是在单线程环境还是多线程环境,对于同一个锁来说,一个线程对这个锁解锁之后,另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果!(管程是一种通用的同步原语,synchronized就是管程的实现)
3)volatile变量规则:就是如果一个线程先去写一个volatile变量,然后一个线程去读这个变量,那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。
4)线程启动规则:在主线程A执行过程中,启动子线程B,那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
5)线程终止规则:在主线程A执行过程中,子线程B终止,那么线程B在终止之前对共享变量的修改结果在线程A中可见。也称线程join()规则。
6)线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。
7)传递性规则:这个简单的,就是happens-before原则具有传递性,即hb(A, B) , hb(B, C),那么hb(A, C)。
8)对象终结规则:这个也简单的,就是一个对象的初始化的完成,也就是构造函数执行的结束一定 happens-before它的finalize()方法。

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