前言

在我們編寫程式並執行的時候，編譯器給我們一個錯覺：程式編譯的順序與編寫的順序是一致的。但是實際上，為了提高效能，編譯器和處理器常常會對指令進行重排序。重排序主要分為兩類：編譯器優化的重排序、指令級別並行的重排序和記憶體系統的重排序。所以我們編寫好Java原始碼之後，會經過以上三個重排序，到最終的指令序列。我們這裡提到的Java記憶體模型又是什麼呢？Java記憶體模型（後面簡稱JMM）是語言級別的記憶體模型，主要用於控制一個共享變數的寫入何時對另一個執行緒可見（後面所有方面都是圍繞這點展開的）。JMM可以確保在不同的處理器平臺和編譯器之上，通過禁止特定型別的編譯器重排序和處理器重排序，為程式設計師提供一致的記憶體可見性的保證。

JMM對重排序的處理

對於編譯器的重排序，JMM會根據重排序規則禁止特定型別的編譯器重排序；對於處理器重排序，JMM會插入特定型別的記憶體屏障，通過記憶體的屏障指令禁止特定型別的處理器重排序。這裡討論JMM對處理器的重排序，為了更深理解JMM對處理器重排序的處理，先來認識一下常見處理器的重排序規則：

其中的N標識處理器不允許兩個操作進行重排序，Y表示允許。其中Load-Load表示讀-讀操作、Load-Store表示讀-寫操作、Store-Store表示寫-寫操作、Store-Load表示寫-讀操作。可以看出：常見處理器對寫-讀操作都是允許重排序的，並且常見的處理器都不允許對存在資料依賴的操作進行重排序（對應上面資料轉換那一列，都是N，所以處理器不允許這種重排序）。

那麼這個結論對我們有什麼作用呢？比如第一點：處理器允許寫-讀操作兩者之間的重排序，那麼在併發程式設計中讀執行緒讀到可能是一個未被初始化或者是一個NULL等，出現不可預知的錯誤，基於這點，JMM會在適當的位置插入記憶體屏障指令來禁止特定型別的處理器的重排序。記憶體屏障指令一共有4類：

1. LoadLoad Barriers：確保Load1資料的裝載先於Load2以及所有後續裝載指令
2. StoreStore Barriers：確保Store1的資料對其他處理器可見（會使快取行無效，並重新整理到記憶體中）先於Store2及所有後續儲存指令的裝載
3. LoadStore Barriers：確保Load1資料裝載先於Store2及所有後續儲存指令重新整理到記憶體
4. StoreLoad Barriers：確保Store1資料對其他處理器可見（重新整理到記憶體，並且其他處理器的快取行無效）先於Load2及所有後續裝載指令的裝載。該指令會使得該屏障之前的所有記憶體訪問指令完成之後，才能執行該屏障之後的記憶體訪問指令。

重排序

重排序指的是編譯器和處理器為了優化程式效能而對指令序列進行重新排序的手段。根據上面的表格，得到了處理器不會對存在資料依賴的操作進行重排序。這裡資料依賴的準確定義是：如果兩個操作同時訪問一個變數，其中一個操作是寫操作，此時這兩個操作就構成了資料依賴。常見的具有這個特性的如i++、i–。如果改變了具有資料依賴的兩個操作的執行順序，那麼最後的執行結果就會被改變。這也是不能進行重排序的原因。

as-if-serial語義

是不是有點突兀，怎麼突然蹦出這個玩意。還是先解釋這個語義的含義吧：不管怎麼重排序，單執行緒程式的執行結果不能發生改變。編譯器、Runtime和處理器也是如此。這個語義相當於把單執行緒保護起來了，所以即使編譯器和處理器對指令序列進行了重排序，我們也會認為程式指令並沒有發生重排序，也就出現了篇首的幻覺。

重排序對多執行緒的影響

如果程式碼中存在控制依賴的時候，會影響指令序列執行的並行度（因為高效）。也是為此，編譯器和處理器會採用猜測（Speculation）執行來克服控制的相關性。所以重排序破壞了程式順序規則（該規則是說指令執行順序與實際程式碼的執行順序是一致的，但是處理器和編譯器會進行重排序，只要最後的結果不會改變，該重排序就是合理的）。

重排序的小結

在單執行緒程式中，對存在依賴關係的操作進行重排序，不會改變最後的執行結果；在多執行緒程式中，對存在依賴關係的操作進行重排序，可能會改變最後的執行結果。

順序一致性

順序一致性實際上指的是一個記憶體模型，JMM對順序一致模型進行了更嚴格的規定。所以JMM是以順序一致性模型進行參照的。

資料競爭 
如果程式沒有正確同步，那麼可能會存在資料競爭。JMM對資料競爭的定義如下：

1. 在一個執行緒中寫一個變數
2. 在另一個執行緒中讀取同一個變數

3. 而且寫和讀沒有通過同步來排序

   那麼，反過來說，如果一個多執行緒程式已經正確同步，這個程式將是一個沒有資料競爭的程式。JMM是如何保證這點的呢？

如果程式是正確同步的，程式的執行將有順序一致性——也就是說程式的執行結果與該程式在順序一致記憶體模型中的執行結果是一致的。

順序一致性模型

順序一致性模型有以下兩大特性：

1. 一個執行緒中的所有操作必須按照程式的順序來執行
2. （不管程式是否同步）所有執行緒都只能看到一個單一的操作執行順序。在順序一致記憶體模型中，每一個操作都必須是院子執行且立即對所有執行緒可見。

可以把順序順序一致模型理解為一個單擺，每一個時刻單擺只能到一個位置，對應過來，任何時刻最多隻能有一個執行緒才能連線到記憶體。由於重排序的影響，實際指令的執行順序是不可知的，但是不管如何排序，每個操作能夠立即對其他執行緒可見，所以所有執行緒看到的都是一樣的執行順序。但是在JMM中是沒有這個規定的，就是說其他執行緒看到執行順序與除自己外的執行緒看到的執行順序可能是不一致的。比如，當前執行緒把寫過的資料快取快取到寫快取中，在沒有重新整理到主記憶體（計算機系統的DRAM）之前，這個寫操作對其他執行緒是不可見的，意味著其他執行緒認為該執行緒根本沒有執行寫操作。那麼何時才能可見呢？只有在當前執行緒把寫快取中資料重新整理到主記憶體的時候，對其他記憶體才是可見的。

原文連結 http://blog.csdn.net/u011116672/article/details/50130367