所屬文集：一起掌握并發(fā)

了解重排序

為了性能蹦误，編譯時和運(yùn)行時都會有重排序咱筛，造成指令執(zhí)行順序變了，宏觀上從這3點(diǎn)了解重排序：

1. 線程內(nèi)有序：如果再本線程內(nèi)觀察嫌佑，所有的操作都是有序的豆茫，即線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義（Within Thread As-If-Serial Semantics）。
2. 線程間無序：如果再一個線程中觀察另一個線程歧强，所有的操作都是無序的澜薄，即 指指令重排序現(xiàn)象和工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象为肮。
3. 總會有重排序：指令重排序在任何時候都有可能發(fā)生摊册，與是否為多線程無關(guān)，之所以在單線程下感覺沒有發(fā)生重排序颊艳，是因?yàn)榫€程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義的存在茅特。

引起可見性問題的病因

從修復(fù)Java內(nèi)存模型忘分，第2部分里的一段話開始思考

理解JMM所需的關(guān)鍵概念之一是可見性 -您如何知道如果線程A執(zhí)行someVariable = 3，其他線程將看到線程A在其中 寫入的值3白修？存在許多原因妒峦，為什么另一個線程可能不會立即為以下值看到值3 someVariable：可能是因?yàn)榫幾g器已對指令進(jìn)行了重新排序以便更有效地執(zhí)行，或者已將someVariable其緩存在寄存器中兵睛，或者將其值寫入了緩存在寫處理器上但尚未刷新到主內(nèi)存肯骇，或者在讀處理器的緩存中有舊的（或陳舊的）值。內(nèi)存模型確定線程何時可以可靠地“看到”對其他線程所做的變量的寫入祖很。特別是笛丙，內(nèi)存模型為定義了語義volatile，synchronized假颇，final這確保了跨線程的內(nèi)存操作可見性胚鸯。

總結(jié)為：導(dǎo)致可見性的原因有很多

1. 為了提升性能而實(shí)施的編譯期重排序。
2. 數(shù)據(jù)在寄存器中笨鸡。
3. cpu緩存的更改未同步到主內(nèi)存中 或 內(nèi)存中的更改未同步到cpu緩存(運(yùn)行期重排序）姜钳。
4. 。形耗。哥桥。

這里兩次提到重排序，那就先看重排序激涤。

重排序 遵守 as-if-serial語義

as-if-serial語義 : 不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度）泰讽，程序在單線程中的執(zhí)行結(jié)果不會改變。

編譯器昔期、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義:

1. 為了遵守as-if-serial語義已卸，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?yàn)檫@種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果硼一。

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

正確的理解as-if-serial語義的功效：

1. 如果再本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的般贼；
2. 如果再一個線程中觀察另一個線程愧哟，所有的操作都是無序的。

重排序的類型：

在執(zhí)行程序時為了提高性能哼蛆，編譯器和處理器常常會對指令做重排序蕊梧。重排序分三種類型：

1. 編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下腮介，可以重新安排語句的執(zhí)行順序肥矢。屬于編譯期重排序。

2. 指令級并行的重排序〉矗現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism甘改， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行旅东。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序十艾。屬于運(yùn)行期重排序抵代。

3. 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀 / 寫緩沖區(qū)忘嫉，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行荤牍，屬于運(yùn)行期重排序。

image.png

從編譯運(yùn)行視角分為兩類：

1. 編譯期重排序：包括 編譯器優(yōu)化的重排序庆冕。
2. 運(yùn)行期重排序：包括 指令級并行的重排序参淫，內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。

理解什么叫運(yùn)行期重排序

image.png

解讀上圖：已變更的數(shù)據(jù)立即寫到內(nèi)存太慢愧杯，所以先寫到Store Buffer.
舉個例子涎才，廚師飯做好了，不會直接端給你力九，而是放到那里等服務(wù)員端給你耍铜，無論服務(wù)員什么時候端給你，都不算是做好了直接給你吃跌前，而是放置了一會兒棕兼。

image.png

解讀上圖：其他cpu通知說，我緩存的數(shù)據(jù)無效了抵乓，但是我在忙別的伴挚，不想打斷正在做的事情，于是提供了一個通知隊(duì)列灾炭，讓他們把緩存無效的通知先放到 通知隊(duì)列中茎芋，等我忙完了再去處理通知

store buffer

1. 優(yōu)點(diǎn)：

• 可以保證core內(nèi)的指令流水線持續(xù)運(yùn)行，
• 它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲蜈出。
• 通過以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū)田弥，以及合并寫緩沖區(qū)中對同一內(nèi)存地址的多次寫，可以減少對內(nèi)存總線的占用铡原。

2. 缺點(diǎn)：
   每個處理器上的寫緩沖區(qū)偷厦，僅對它所在的處理器可見。這個特性會對內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響：處理器對內(nèi)存的寫操作的執(zhí)行順序燕刻，不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的寫操作順序一致只泼！

Invalidate Queue

1. 優(yōu)點(diǎn)：
   正在處理的事情不中斷
2. 缺點(diǎn)：
   處理器對內(nèi)存的讀操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的寫操作順序一致卵洗！使用已經(jīng)過期的數(shù)據(jù)请唱，而不是最新的。

在兩個CPU同時運(yùn)行的情況下，CPU0自身視角來說籍滴，沒有重排發(fā)生酪夷，一切都那么自然榴啸，但是CPU1卻看到CPU0發(fā)生了重排（reordering memory）孽惰。這就是內(nèi)存系統(tǒng)重排序。

禁止運(yùn)行期重排序

store buffer 和 Invalidate Queue 帶來的亂序如何解決

CPU通常提供了內(nèi)存屏障指令鸥印，來解決這樣的亂序問題勋功。讀屏障，清空本地的invalidate queue库说，保證之前的所有l(wèi)oad都已經(jīng)生效狂鞋；寫屏障，清空本地的store buffer潜的，使得之前的所有store操作都生效骚揍。

通俗來說就是兩點(diǎn):

寫屏障：保證把更新寫到內(nèi)存
讀屏障：保證從內(nèi)存讀取最新數(shù)據(jù)

JMM把內(nèi)存屏障分為四類，其實(shí)就是讀啰挪、寫屏障的組合：

image.png

JMM 的處理器重排序規(guī)則 會 要求 java 編譯器在生成指令序列時信不，插入特定類型的內(nèi)存屏障指令，來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）亡呵。

理解什么叫編譯期重排序：

private int val = 0;
private volatile boolean stop = false;
...
fun(){
val = 10;//代碼1
stop = true;//代碼2
}

這里代碼1 和代碼2 編譯后順序不會調(diào)整很容易理解抽活，但是下邊這個例子就有歧義了：

private boolean stop ;
while(!stop){
  i++;
}

按照java中volatile關(guān)鍵字的疑惑中大濕的解答
這種代碼會被編譯優(yōu)化成類似

if(!stop){
     while(true){
          i++;
    }
}

這種答案我還是不太信服的，看官您若有答案請留言告知哦锰什。
大師的答案中用到了HSDIS技術(shù)下硕，深入解析volatile關(guān)鍵字 對HSDIS的講解很全面

禁止編譯期重排序

JMM 的編譯器重排序規(guī)則 會 禁止 特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。

java中禁止重排序的操作

1. volatile關(guān)鍵字

2. unsafe 的內(nèi)存屏障方法

3. synchronized鎖

題外話之總線風(fēng)暴

總線風(fēng)暴：總線帶寬達(dá)到峰值汁胆；原因：

1. 內(nèi)存屏障從主內(nèi)存嗅探
2. cas不斷循環(huán)無效交互導(dǎo)致

解決辦法：
部分volatile和cas使用synchronize

Happens-Before 規(guī)則 關(guān)注使用效果而非實(shí)現(xiàn)梭姓。

上述內(nèi)容應(yīng)該也只是保證可見性的一部分內(nèi)容，我本身還困惑寄存器緩存和指令并行重排等情況嫩码，作為上層高級語言程序員糊昙，很難很難掌握全部底層的情況。

通過一種更簡單的方式谢谦，結(jié)合 java語法释牺，以使用的視角來掌握如何保證可見性，而不是 如何實(shí)現(xiàn)可見性保證回挽。很自然的happens-before的概念就是這個作用没咙，告訴程序員怎么用。 而保證可見性的實(shí)現(xiàn)則是JMM自己的事情千劈，不是程序員的祭刚。

image.png

從 JDK5 開始 java 使用新的 JSR -133 內(nèi)存模型，并依據(jù)此內(nèi)存模型提出了 happens-before 的概念，通過這個概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性涡驮。

我們要保證可見性暗甥，就是遵守Happens-Before 規(guī)則，合理的使用java提供的工具捉捅。

為什么會有內(nèi)存屏障