1 什么是重排序

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令重排。

为什么指令重排序可以提高性能？

简单地说，每一个指令都会包含多个步骤，每个步骤可能使用不同的硬件。因此，流水线技术产生了，它的原理是指令1还没有执行完，就可以开始执行指令2，而不用等到指令1执行结束之后再执行指令2，这样就大大提高了效率。

但是，流水线技术最害怕中断，恢复中断的代价是比较大的，所以我们要想尽办法不让流水线中断。指令重排就是减少中断的一种技术。

我们分析一下下面这个代码的执行情况：

  1. a = b + c;
  2. d = e - f ;

先加载b、c（注意，即有可能先加载b，也有可能先加载c），但是在执行add(b,c)的时候，需要等待b、c装载结束才能继续执行，也就是增加了停顿，那么后面的指令也会依次有停顿,这降低了计算机的执行效率。

为了减少这个停顿，我们可以先加载e和f,然后再去加载add(b,c),这样做对程序（串行）是没有影响的,但却减少了停顿。既然add(b,c)需要停顿，那还不如去做一些有意义的事情。

综上所述，指令重排对于提高CPU处理性能十分必要。虽然由此带来了乱序的问题，但是这点牺牲是值得的。

指令重排一般分为以下三种：

  • 编译器优化重排
    编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
  • 指令并行重排
    现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。
  • 内存系统重排
    由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

指令重排可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致。所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

2 happens-before

happens-before原则定义如下：

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Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么JMM也允许这样的重排序。

一方面，程序员需要JMM提供一个强的内存模型来编写代码；另一方面，编译器和处理器希望JMM对它们的束缚越少越好，这样它们就可以最可能多的做优化来提高性能，希望的是一个弱的内存模型。

JMM考虑了这两种需求，并且找到了平衡点，对编译器和处理器来说，只要不改变程序的执行结果（单线程程序和正确同步了的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。

而对于程序员，JMM提供了happens-before规则（JSR-133规范），满足了程序员的需求——简单易懂，并且提供了足够强的内存可见性保证。换言之，程序员只要遵循happens-before规则，那他写的程序就能保证在JMM中具有强的内存可见性。

JMM使用happens-before的概念来定制两个操作之间的执行顺序。这两个操作可以在一个线程以内，也可以是不同的线程之间。因此，JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证。

happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

as-if-serial语义保证单线程内重排序后的执行结果和程序代码本身应有的结果是一致的，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被重排序改变。

总之，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，不管它们在不在一个线程。

下面是happens-before原则规则：

  1. 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；
  2. 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；
  3. 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；
  4. 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；
  5. 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；
  6. 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；
  7. 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；
  8. 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。

举例：

  1. int a = 1; // A操作
  2. int b = 2; // B操作
  3. int sum = a + b;// C 操作
  4. System.out.println(sum);

根据以上介绍的happens-before规则，假如只有一个线程，那么不难得出：

  1. A happens-before B 
  2. B happens-before C 
  3. A happens-before C

注意，真正在执行指令的时候，其实JVM有可能对操作A & B进行重排序，因为无论先执行A还是B，他们都对对方是可见的，并且不影响执行结果。

如果这里发生了重排序，这在视觉上违背了happens-before原则，但是JMM是允许这样的重排序的。

所以，我们只关心happens-before规则，不用关心JVM到底是怎样执行的。只要确定操作A happens-before操作B就行了。

重排序有两类，JMM对这两类重排序有不同的策略：

  • 会改变程序执行结果的重排序，比如 A -> C，JMM要求编译器和处理器都禁止这种重排序。
  • 不会改变程序执行结果的重排序，比如 A -> B，JMM对编译器和处理器不做要求，允许这种重排序。

    参考文章

7 重排序与happens-before
【死磕Java并发】——-Java内存模型之happens-before