JAVA記憶體模型--指令重排序

指令重排序

在執行程式時，為了提高性能，編譯器和處理器會對指令做重排序。但是，JMM確定在不同的編譯器和不同的處理器平台之上，通過插入特定類型的Memory Barrier來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為上層提供一緻的記憶體可見性保證。

• 編譯器優化重排序：編譯器在不改變單線程程式語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。
• 指令級并行的重排序：現代處理器采用了指令級并行技術（Instruction-Level Parallelism， ILP）來将多條指令重疊執行。如果不存在資料依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。
• 記憶體系統的重排序：處理器使用緩存和讀寫緩沖區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

在虛拟機層面，為了盡可能減少記憶體操作速度遠慢于CPU運作速度所帶來的CPU空置的影響，虛拟機會按照自己的一些規則将程式編寫順序打亂——即寫在後面的代碼在時間順序上可能會先執行，而寫在前面的代碼會後執行——以盡可能充分地利用CPU

從java源代碼到最終實際執行的指令序列，會分别經曆下面三種重排序：

JVM Happen-Before規則

• 程式次序規則(Program Order Rule)

在一個線程内，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在後面的操作。準确地說應該是控制流順序而不是代碼順序，因為要考慮分支、循環等結構。

• 螢幕鎖定規則(Monitor Lock Rule)

一個unlock操作先行發生于後面對同一個對象鎖的lock操作。這裡強調的是同一個鎖，而“後面”指的是時間上的先後順序，如發生在其他線程中的lock操作。

• volatile變量規則(Volatile Variable Rule)

volatile變量的寫先發生于讀，這保證了volatile變量的可見性

• 線程啟動規則(Thread Start Rule)

Thread獨享的start()方法先行于此線程的每一個動作。

• 線程終止規則(Thread Termination Rule)

線程中的每個操作都先行發生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的傳回值檢測到線程已經終止執行。

• 線程中斷規則(Thread Interruption Rule)

對線程interrupte()方法的調用優先于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測線程是否已中斷。

• 對象終結原則(Finalizer Rule)

一個對象的初始化完成(構造函數執行結束)先行發生于它的finalize()方法的開始。

• 傳遞性(Transitivity)

如果操作A先行發生于操作B，操作B先行發生于操作C，那就可以得出操作A先行發生于操作C的結論。

說明：正是以上這些規則保障了happen-before的順序，如果不符合以上規則，那麼在多線程環境下就不能保證執行順序等同于代碼順序，也就是“如果在本線程中觀察，所有的操作都是有序的；如果在一個線程中觀察另外一個線程，則不符合以上規則的都是無序的”，是以，如果我們的多線程程式依賴于代碼書寫順序，那麼就要考慮是否符合以上規則，如果不符合就要通過一些機制使其符合，最常用的就是synchronized、Lock以及volatile修飾符。

參考資料

【happens-before俗解】http://ifeve.com/easy-happens-before/

【死磕Java并發–Java記憶體模型之happens-before】 http://cmsblogs.com/?p=2102

【JMM Cookbook(一)指令重排】http://ifeve.com/jmm-cookbook-reorderings/