Java内存之happens-before和重排序

在JMM（Java内存模型）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存在happens-before关系。下面小编来简单介绍一下

happens-before原则规则：

程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；

锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作；

volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；

传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；

线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；

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的代码检测到中断事件的发生；

线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；

对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；

我们来详细看看上面每条规则（摘自《深入理解Java虚拟机第12章》）：

程序次序规则：一段代码在单线程中执行的结果是有序的。注意是执行结果，因为虚拟机、处理器会对指令进行重排序（重排序后面会详细介绍）。虽然重排序了，但是并不会影响程序的执行结果，所以程序最终执行的结果与顺序执行的结果是一致的。故而这个规则只对单线程有效，在多线程环境下无法保证正确性。

锁定规则：这个规则比较好理解，无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁处于被锁定状态，那么必须先执行unlock操作后面才能进行lock操作。

volatile变量规则：这是一条比较重要的规则，它标志着volatile保证了线程可见性。通俗点讲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，那么这个写操作一定是happens-before读操作的。

传递规则：提现了happens-before原则具有传递性，即A happens-before B , B happens-before C，那么A happens-before C

线程启动规则：假定线程A在执行过程中，通过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A对共享变量的修改在接下来线程B开始执行后确保对线程B可见。

线程终结规则：假定线程A在执行的过程中，通过制定ThreadB.join()等待线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改在线程A等待返回后可见。

上面八条是原生Java满足Happens-before关系的规则，但是我们可以对他们进行推导出其他满足happens-before的规则：

1.将一个元素放入一个线程安全的队列的操作Happens-Before从队列中取出这个元素的操作

2.将一个元素放入一个线程安全容器的操作Happens-Before从容器中取出这个元素的操作

3.在CountDownLatch上的倒数操作Happens-Before CountDownLatch#await()操作

4.释放Semaphore许可的操作Happens-Before获得许可操作

5.Future表示的任务的所有操作Happens-Before Future#get()操作

6.向Executor提交一个Runnable或Callable的操作Happens-Before任务开始执行操作

这里再说一遍happens-before的概念：如果两个操作不存在上述（前面8条 + 后面6条）任一一个happens-before规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM可以对这两个操作进行重排序。如果操作A happens-before操作B，那么操作A在内存上所做的操作对操作B都是可见的。

上面的程序次序原则，和重排序之间一直有一个疑惑，看下面的代码：

//线程A: context = loadContext(); inited = true; //线程B: while(!inited ){ sleep } doSomethingwithconfig(context);

线程A中的操作可能会重排序，导致线程B中的context初始化不完全。但是，为什么线程A的操作会重排序呢？根据happens-before的程序次序原则，context的初始化不是应该在inited前面吗？直到我看到了这样的解释：

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。 

2. 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

       第二条中描述了，如果重排序的执行结果，和按照happens-before关系执行的结果一致，那么重排序并不非法。所以就解释了为什么线程1中会重排序了：线程1中的两个操作没有关联关系，就是执行结果互不依赖。按照happens-before的关系执行，context先初始化，inited后初始化。按照重排序的顺序执行，inited先初始化，context后初始化。最终的结果都是一样的：两个变量的初始化。所以，重排序不非法。这也解释了，为什么程序次序规则在多线程下，两个操作之间无关系的情况下，操作有可能会被重排序的原因了。

       另一方面，如果两个操作之间存在关联关系，为了保证程序的执行结果不会改变，需要遵循as-if-serial语义。即：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。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序

数据依赖性定义：

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

数据依赖分为下列3种类型，如表所示：

double pi = 3.14; // A

double r = 1.0; // B

double area = pi * r * r; // C

操作A和C之间有数据依赖性，B和C之间也存在数据依赖性，所以C不能在A和B之前执行。但是，A和B之间没有数据依赖性，所以A和B之间可能会被重排序。

控制依赖性定义：

考察下面的代码，线程1运行writer，线程2运行reader：

class ReorderExample { int a = 0; boolean flag = false; public void writer() { a = 1; // 1 flag = true; // 2 } Public void reader() { if (flag) { // 3 int i = a * a; // 4 …… } } }

        我们知道，操作1和2直接没有数据依赖性，可能会被重排序，导致程序异常。那么，3和4之间会重排序吗？答案是会的。这里有个新的概念――控制依赖性。操作3和操作4存在控制依赖关系。当代码中存在控制依赖性时，会影响指令序列执行的并行度。为此，编译器和处理器会采用猜测（Speculation）执行来克服控制相关性对并行度的影响。以处理器的猜测执行为例，执行线程B的处理器可以提前读取并计算a*a，然后把计算结果临时保存到一个名为重排序缓冲（Reorder Buffer，ROB）的硬件缓存中。当操作3的条件判断为真时，就把该计算结果写入变量i中。

从图中我们可以看出，猜测执行实质上对操作3和4做了重排序。重排序在这里破坏了多线程程序的语义！

        在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果（这也是as-if-serial语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因）；但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。