1.重排序

　　在執行程序時為了提高性能,編譯器和處理器常常會對指令做重排序.重排序分三種類型:

　　1.編譯器優化的重排序.編譯器在不改變單線程程序語義的前提下,可以重新安排語句的執行順序.

　　2.指令級並行的重排序.現代處理器采用了指令級並行技術(Instruction-Level Parallelism, ILP)來將多條指令重疊執行.如果不存在數據依賴性,處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序.

　　3.內存系統的重排序.由於處理器是使用緩存和讀/寫緩沖區,這使得加載和存儲操作看上去可能是亂序執行.

　　從java源代碼到最終實際執行的指令序列,會分別經歷下面三中重排序:

　　上述的1屬於編譯器重排序,2和3屬於處理器重排序.這些重排序都可能會導致多線程程序出現內存可見性問題.對於編譯器,JMM的編譯器重排序規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).對於處理器重排序,JMM的處理器重排序規則會要求java編譯器在生成指令序列時,插入特定類型的內存屏障(memory barriers,inter稱之為memory fence)指令,通過特點的內存屏障來禁止特定的處理器重排序(不是所有的處理器重排序都要禁止).

　　JMM屬於語言級的內存模型,他確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺上,通過禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序,為程序員提供一致的內存可見性.

2.處理器重排序和內存屏障指令

　　現代的處理器使用寫緩沖區來臨時保存向內存寫入的數據.寫緩沖區可以保證指令流水線持續運行,他可以避免由於處理器停頓下來等待向內存寫入數據而產生的延遲.同時,通過以批處理的方式刷新寫緩沖區,以及合並寫緩沖區中對同一內存地址的多次寫,可以減少對內存總線的占用.雖然寫緩沖區有這麽多好處,但每個處理器上等的寫緩沖區,僅僅對它所在的處理器可見.這個特性會對內存操作的執行順序產生重要的影響:處理器對內存的讀/寫操作的執行順序,不一定與內存實際發生的讀/寫操作順序一致!

　　　假設處理器A和處理器B按程序的順序並行執行內存訪問,最終卻可能得到x=y=0的結果.具體的原因如下所示:

　　這裏處理器A和處理器B可以同時把共享變量寫入自己的寫緩存區(A1,B1),然後從內存中讀取另一個共享變量(A2,B2),最後才把自己寫緩沖區中保存的臟數據刷新到內存中(A3,B3).當以這種時序執行時,程序就可以得到x=y=0的結果.

　　這裏的關鍵是,由於寫緩沖區僅對自己的處理器可見,它會導致處理器執行內存操作的順序可能會與內存實際的操作執行順序不一致.由於現代的處理器都會使用寫緩沖區,因此現代的處理器都會允許寫-讀操作的重排序.

　　下面是常見處理器允許的重排序類型的列表:

　　從表單元格的"n"表示處理器不允許兩個操作重排序,"Y"表示允許重排序.

　 從上表我們可以看出:常見的處理器都允許Store-load重排序;常見的處理器都不允許對存在數據依賴的操作做重排序.spare-TSO和x86擁有相對較強的處理器內存模型,他們僅允許對寫-讀操作做重排序.

　　為了保證內存可見性,java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序.JMM把內存屏障指令分為下列四類:

　　StoreLoad Barriers是一個"全能型"的屏障,它同時具有其他三個屏障的效果.現代的多處理器大都支持該屏障(其他類型的屏障不一定被所有處理器支持).執行該屏障開銷會很昂貴,因為當前處理器通常要把寫緩沖區的數據全部刷新到內存中(buffer fully flush).

重排序之數據依賴性

　　如果兩個操作訪問同一個變量,且這兩個操作中有一個為寫操作,此時這兩個操作之間就存在數據依賴性.數據依賴性分下列三種類型:

　　上面三種情況,只要重排序兩個操作的執行順序,程序的執行結果將會被改變.

　　編譯器和處理器可能會對操作做重排序.編譯器和處理器在重排序時,會遵守數據依賴性,編譯器和處理器不會改變存在數據依賴關系的兩個操作的執行順序.

　　註意:這裏所說的數據依賴性僅針對單個處理器中執行的指令序列和單個線程中執行的操作,不同處理器之間和不同線程之間的數據依賴性不被編譯器和處理器考慮.

happens-before

　　從JDK1.5開始,java使用新的JSR-133內存模型.JSR-133使用happens-before的概念來闡述操作之間的內存可見性.在JMM中,如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見,那麽這個兩個操作之間必須要存在happens-before關系.這裏提到的兩個操作即可以是在一個線程之內,也可以是在不同線程之間.

　　與程序員密切相關的happens-before規則如下:

　　程序順序規則:一個線程中的每個操作,happens-before於該線程中的任意後續操作.

　　監視器鎖規則:對一個監視器的解鎖,happens-before於隨後對這個監視器的加鎖.

　　volatile變量規則:對一個volatile域的寫,happens-before於任意後續對這個volatile域的讀.

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

　　註意:兩個操作之具有Happens-before關系,並不意味著前一個操作必須要在後一個操作之前執行.happens-before僅僅要求前一個操作(執行的結果)對後一個操作可見,且前一個操作按順序排在第二個操作之前.

as-if-serial語義

　　as-if-serial語義的意思指:不管怎麽重排序(編譯器和處理器為了提高並行度),(單線程)程序的執行結果不能被改變.編譯器,runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義.

　　為了遵守as-if-serial語義,編譯器和處理器不會對存在數據依賴關系的操作做重排序,因為這個重排序會改變執行結果.但是,如果操作之間不存在數據依賴性關系,這些操作就可能被編譯器和處理器重排序.

　　as-if-serial語義把單線程程序保護了起來,遵守了as-if-serial語義的編譯器,runtime和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創建了一個幻覺:單線程程序是按程序的順序來執行的.as-if-serial語義使單線程程序員無須擔心重排序幹擾他們,也無需擔心內存可見性問題.

java內存模型之重排序