一、數(shù)據(jù)依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，而且這兩個操作中有一個操作為寫操作，此時這兩個操作之間存在數(shù)據(jù)依賴性。數(shù)據(jù)依賴性分為三種，如表所示：

上面的這三種情況，只要重排序了兩個操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果就會被改變。編譯器和處理器針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作重排序時，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序。（不同處理器和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮）。

二、as-if-serial語義

as-if-serial語義指的是：不管怎么重排序，單線程執(zhí)行程序的執(zhí)行結(jié)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(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因為 這種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。

舉例說明，計算圓面積的代碼示例：

double pi = 3.14;			//	A
double r = 1.0;				//	B
double area = pi * r;		//	C

上面3個操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下所示：

3個操作之間的依賴關(guān)系

解釋：A和B之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C不可能被排到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會被改變）。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可重排序A和B之間的執(zhí)行順序。

重排序后存在如下的執(zhí)行可能：

總結(jié)：as-if-serial語義吧單線程程序保護起來了，遵守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(chuàng)建了一個錯誤的幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔心重排序會干擾他們，也無需擔心內(nèi)存可見性問題。

三、程序順序規(guī)則

根據(jù)happens-before的程序規(guī)則，上面計算圓的面積的示例代碼存在3個happens-before關(guān)系。

1.A happens-before B

2.B happens-before C

3.A happens-before C

A happens-before C是根據(jù)1和2推導(dǎo)出來的。

雖然A happens-before B但是實際執(zhí)行時B卻可以排在A前面執(zhí)行（在上面的執(zhí)行圖中）。如果A happens-before B，JMM并不要求A一定要在B之前執(zhí)行，JMM僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。這里A的執(zhí)行結(jié)果不需要對B可見；而且重排序操作A和操作B后的執(zhí)行結(jié)果，與A和操作B按happens-before順序執(zhí)行的結(jié)果一致。在這種情況下，JMM會認為這種重排序并不非法（not illegal），JMM運行這種重排序。
在計算機中，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個共同目標：再不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能提高并行度。編譯器和處理區(qū)遵從這一目標，從happens-before的定義我們可以看出，JMM同樣也遵循這一目標。

四、重排序?qū)Χ嗑€程的影響

重排序是否會影響多線程的執(zhí)行結(jié)果呢？

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/7 23:01
 */
public class ReorderExample {

    // 定義變量a
    int a = 0;
    // flag變量是個標記，用來標志變量a是否被寫入
    boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;                           // 1
        flag = true;                     // 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) {                      // 3
            int i = a * a;               // 4
            System.out.println("i:" + i);
        }
    }


    /**
     * 測試
     * 
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        final ReorderExample re = new ReorderExample();

        new Thread() {
            public void run() {
                re.writer();
            }
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                re.reader();
            }
        }.start();
    }

}

這里假設(shè)兩個線程A和B，A首先執(zhí)行write()，B再執(zhí)行readr()。線程B在執(zhí)行操作4時，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入呢？

答案是：不一定能！
由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以多這兩個操作重排序。

假設(shè)操作1和操作2重排序：（虛箭線代表錯誤的讀操作）

程序執(zhí)行時序圖

如上圖操作1和操作2發(fā)生了重排序。程序執(zhí)行時，線程A首先寫標記變量flag，隨后線程B讀取這個變量，條件判斷為真，線程B讀取變量a的值。此時，變量a還沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了。

假設(shè)操作3和操作4重排序：

程序執(zhí)行時序圖

在上述執(zhí)行方式的程序中，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當代碼中存在控制依賴性時，會影響指令并行度。為此編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例，執(zhí)行現(xiàn)場B的處理器可提前讀取并行計算a*a，然后計算結(jié)果保存到一個名為重排序緩沖（Recorder Buffer, ROB）的硬件緩存中。當操作3的條件判斷為真時，就把計算結(jié)果寫入變量i中。
在上圖中可以看出，猜測執(zhí)行實質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！
在單線程程序中，對存在控制依賴性的操作重排序，不會改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但是在多線程中，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

到此這篇關(guān)于Java內(nèi)存模型之重排序的相關(guān)知識總結(jié)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java重排序內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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