找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索

[ JAVA开发技术 ] 【守望者 JMM】理解重排序对多线程的影响

2014-10-12 10:41| 发布者: zhouy | 查看: 1183 | 收藏

摘要: 数据依赖性如果两个操作访问同一个变量,且这两个操作中有一个为写操作,此时这两个操作之间就存在数据依赖性。数据依赖分下列三种类型:名称 代码示例说明写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后,再读这个位置。写 ...
数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量,且这两个操作中有一个为写操作,此时这两个操作之间就存在数据依赖性。数据依赖分下列三种类型:

名称         代码示例说明

写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后,再读这个位置。
写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后,再写这个变量。
读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后,再写这个变量。


上面三种情况,只要重排序两个操作的执行顺序,程序的执行结果将会被改变。前面提到过,编译器和处理器可能会对操作做重排序。编译器和处理器在重排序时,会遵守数据依赖性,编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。


注意,这里所说的数据依赖性仅针对单个处理器中执行的指令序列和单个线程中执行的操作,不同处理器之间和不同线程之间的数据依赖性不被编译器和处理器考虑。


as-if-serial语义as-if-serial语义的意思指:不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程)程序的执行结果不能被改变。编译器,runtime 和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
为了遵守as-if-serial语义,编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果。但是,如果操作之间不存在数据依赖关系,这些操作可能被编译器和处理器重排序。为了具体说明,请看下面计算圆面积的代码示例:

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

 上面三个操作的数据依赖关系如下图所示:


  
如上图所示,A和C之间存在数据依赖关系,同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中,C不能被重排序到A和B的前面(C排到A和B的前面,程序的结果将会被改变)。但A和B之间没有数据依赖关系,编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。下图是该程序的两种执行顺序:

  

as-if-serial语义把单线程程序保护了起来,遵守as-if-serial语义的编译器,runtime 和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉:单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial语义使单线程程序员无需担心重排序会干扰他们,也无需担心内存可见性问题。


程序顺序规则根据happens- before的程序顺序规则,上面计算圆的面积的示例代码存在三个happens- before关系:

A happens- before B;
B happens- before C;
A happens- before C;
这里的第3个happens- before关系,是根据happens- before的传递性推导出来的。


这里A happens- before B,但实际执行时B却可以排在A之前执行(看上面的重排序后的执行顺序)。在第一章提到过,如果A happens- before B,JMM并不要求A一定要在B之前执行。JMM仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。这里操作A的执行结果不需要对操作B可见;而且重排序操作A和操作B后的执行结果,与操作A和操作B按happens- before顺序执行的结果一致。在这种情况下,JMM会认为这种重排序并不非法(not illegal),JMM允许这种重排序。在计算机中,软件技术和硬件技术有一个共同的目标:在不改变程序执行结果的前提下,尽可能的开发并行度。编译器和处理器遵从这一目标,从happens- before的定义我们可以看出,JMM同样遵从这一目标。


重排序对多线程的影响现在让我们来看看,重排序是否会改变多线程程序的执行结果。请看下面的示例代码:

class ReorderExample {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer() {   
        a = 1;                   //1  
        flag = true;             //2
    }
   Public void reade  r() {   
      if (flag) {            
            //3     
         int i =  a * a;        //4        
     ……    }
}}
flag变量是个标记,用来标识变量a是否已被写入。这里假设有两个线程A和B,A首先执行writer()方法,随后B线程接着执行reader()方法。线程B在执行操作4时,能否看到线程A在操作1对共享变量a的写入?
答案是:不一定能看到。


由于操作1和操作2没有数据依赖关系,编译器和处理器可以对这两个操作重排序;同样,操作3和操作4没有数据依赖关系,编译器和处理器也可以对这两个操作重排序。让我们先来看看,当操作1和操作2重排序时,可能会产生什么效果?请看下面的程序执行时序图:

  
如上图所示,操作1和操作2做了重排序。程序执行时,线程A首先写标记变量flag,随后线程B读这个变量。由于条件判断为真,线程B将读取变量a。此时,变量a还根本没有被线程A写入,在这里多线程程序的语义被重排序破坏了!



注:本文统一用红色的虚箭线表示错误的读操作,用绿色的虚箭线表示正确的读操作。
下面再让我们看看,当操作3和操作4重排序时会产生什么效果(借助这个重排序,可以顺便说明控制依赖性)。下面是操作3和操作4重排序后,程序的执行时序图:
  

接着我们写写测试代码验证一下:

public class Test {

     static int a = 0;
     static boolean flag = false;
     public static void writer() {
         a = 1;                   //1
         flag = true;             //2
        System.out.println("writer:"+flag);
        
  }
    public static void reader() {
          if (flag) {                //3
          int i =  a * a;        //4
           System.out.println("reader:"+i);
         }
     }
  
        public static void main(String[] args) {
          Runnable   run1=new   Runnable() {
        
        @Override
        public void run() {
         writer();
         
        }
       };
        
        Runnable   run2=new   Runnable() {
         
         @Override
         public void run() {
          reader();
          
         }
        };
      
       1)new  Thread(run2).start();
       2)new  Thread(run1).start();
  }
}
//这样会输出:
writer:true;

如果把启动线程的方式  1)和2)互换这样的输出结果如下:
writer:true;
reader:1;

通过例子大家明白的重排序的对并发的影响的。

在程序中,操作3和操作4存在控制依赖关系。当代码中存在控制依赖性时,会影响指令序列执行的并行度。为此,编译器和处理器会采用猜测(Speculation)执行来克服控制相关性对并行度的影响。以处理器的猜测执行为例,执行线程B的处理器可以提前读取并计算a*a,然后把计算结果临时保存到一个名为重排序缓冲(reorder buffer ROB)的硬件缓存中。当接下来操作3的条件判断为真时,就把该计算结果写入变量i中。
从图中我们可以看出,猜测执行实质上对操作3和4做了重排序。重排序在这里破坏了多线程程序的语义!
在单线程程序中,对存在控制依赖的操作重排序,不会改变执行结果(这也是as-if-serial语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因);但在多线程程序中,对存在控制依赖的操作重排序,可能会改变程序的执行结果。

推荐阅读

【守望者  j2se】ConcurrentHashMap原理分析
【守望者 j2se】ConcurrentHashMap原
集合是编程中最常用的数据结构。而谈到并发,几乎总是离不开集合这类高级数据
【守望者  j2se】双向链表模拟
【守望者 j2se】双向链表模拟
我们熟悉了java单向链表的模拟,现在我就必须开始双向链表的模拟的.1.基础结构
【守望者 高并发】现有高并发WEB服务器 lighttpd Apache Nginx比较
【守望者 高并发】现有高并发WEB服务器
lighttpd网络服务器基于的Lighttpd的网络服务器具有这样的特点:占用内存资源
【守望者 高并发】C10K/C500K与I/O框架
【守望者 高并发】C10K/C500K与I/O框架
C10K、C/500K问题C10K 的意思是10000并发请求,C500K意思是500 000并发请求,
【守望者  j2se】虚拟机各部分内存溢出情况
【守望者 j2se】虚拟机各部分内存溢出
通过简单的小例子程序,演示java虚拟机各部分内存溢出情况:(1).java堆溢出:
【守望者  JMM】理解volatile内存语义
【守望者 JMM】理解volatile内存语义
理解volatile变量对写多线程程序还是很有帮助的,这样就会避免一上来就是syn这
【守望者 高并发】使用CAS实现高效并发处理
【守望者 高并发】使用CAS实现高效并发
守望者:在并发处理应用中,一般使用锁的方式来解决竞争问题,但锁的效率比较
【守望者  j2se】吃透 java I/O 工作机制-1
【守望者 j2se】吃透 java I/O 工作机
I/O 问题可以说是当今互联网 Web 应用中所面临的主要问题之一,因为当前在这
【守望者 大数据】Mahout学习路线图
【守望者 大数据】Mahout学习路线图
Hadoop家族产品,常用的项目包括Hadoop, Hive, Pig, HBase, Sqoop, Mahout, Z
【守望者 j2se】ConcurrentMap之putIfAbsent(key,value)用法讨论
【守望者 j2se】ConcurrentMap之putIfA
先看一段代码:public class Locale { private final static MapString, Lo
【守望者  javascript】判断IE浏览器世界上最短的代码
【守望者 javascript】判断IE浏览器世
最短的IE判定var ie=!-分析以前最短的IE判定借助于IE不支持垂直制表符的特性
【守望者 大数据】机器学习已成为大数据的基石
【守望者 大数据】机器学习已成为大数
机器学习(Machine Learning, ML)是一门多领域交叉学科,涉及概率论、统计学、
【守望者  j2se】多线程与并发知识点总结
【守望者 j2se】多线程与并发知识点总
对于多线程和并发编程这个比较大的技术模块,我们会整理一些帖子方便知识点的
【守望者  j2se】二叉树模拟
【守望者 j2se】二叉树模拟
接着我们就要写一个比较复杂的数据结构的,但是这个数据结构是很重要的,假如
【守望者 SRS  】SRS 源代码分析笔记(0.9.194)-分析服务器对端口的监听 ...
【守望者 SRS 】SRS 源代码分析笔记(
第一部分 分析服务器对端口的监听 端口监听与初始化(一)全局变量_srs_confi

行业聚焦  面试交流  职位推荐  开发视频   技术交流  腾讯微博  新浪微博

友情链接:课课家教育  阿里云  鲜果  W3Cfuns前端网  中国企业家  环球企业家  投资界  传媒梦工场  MSN中文网  Android开发者社区  cnbeta  投资中国网  又拍云存储  美通说传播  IT茶馆  网商在线  商业评论网  TechOrange  IT时代周刊  3W创新传媒  开源中国社区  二维工坊  Iconfans  推酷  智能电视网  FreeBuf黑客与极客  财经网  DoNews  凤凰财经  新财富  eoe移动开发者社区  i黑马  网易科技  新浪科技  搜狐IT  创业家  创业邦  腾讯财经  福布斯中文网  天下网商  TechWeb  雷锋网  新浪创业  和讯科技  品途O2O  极客公园  艾瑞网  抽屉新热榜  卖家网  人民网通信频道  拉勾网  创新派  简单云主机  

手机版|黑名单|守望者在线 在线教育 linux 高级程序设计 C/C++ 大数据 ( 蜀ICP备14029946号

成都守望者科技有限公司 © 2013-2016 All Rights Reserved