并发中的陷阱-处理器重排序

假设有两个线程分别调用同一个test对象的writer()和reader()。请问，b的值是什么？

(a) 1
(b) 2
(c) 1 or 2

 public class test{    private boolean flag = false;    private int a = 0;    public void writer(){            a = 1;            flag = True;    }    public void reader(){        if (flag){            b = a + 1        }    }}

这里主要涉及的是处理器重排序问题。当前处理器为了加速指令执行，会将部分指令重排序之后执行。

数据依赖

数据依赖是一个简单的概念，就是判断前后两行代码在数据上有否有依赖关系。例如：

num1 = 1                // (a)num2 = 2                // (b)result = num1 + num2    // (c)

显然，c 语句用到的 num1 和 num2 依赖 a 和 b。

数据依赖分三种:

• 1 store - load
• 2 load - store
• 3 store - store

如何判断是否有依赖，很简单，只用判断两个语句之间是否用到同一个变量，是否是写操作。

Happen before

JVM定义了一个概念叫做 happen before，意思是前一条执行的结果要对后一条执行可见。简单来说前一条执行完，才能执行后一条。但实际上为了提高处理速度，JVM弱化了这个概念，在有数据依赖的情况下，前一条执行完，才能执行后一条。

看下面的例子：

num1 = 1                // (a)num2 = 2                // (b)result = num1 + num2    // (c)

对于上述三条语句 a, b, c执行，单线程顺序执行的情况。

a happen before b       b happen before c。

根据传递性可以得出：

a happen before c

c指令要用到的 num1 和 num2 显然是依赖 a 和 b 的，典型的store-load。所以c指令必须等到 a 和 b 执行完才能执行。然而 a 和 b 并没有数据依赖，于是 JVM 允许处理器对 a 和 b 进行重排序。

a -> b -> c = 3b -> a -> c = 3

那么happen before到底是什么？我的理解是happen before是JVM对底层内存控制抽象出一层概念。我们可以根据代码顺序来判断happen before的关系，而JVM底层会根据实际情况执行不同的 action （例如添加内存屏障，处理器屏障，阻止重排序又或者是不做任何额外操作，允许处理器冲排序）。通过这一层使得内存控制对程序员透明，程序员也不需要考虑代码实际执行情况，JVM会保证单线程执行成功，as-if-serial。

既然JVM已经透明了内存控制，那为什么要搞清楚这点，那就是JVM只保证单线程执行成功，而多线程环境下，就会出各种各样的问题。

答案

下面就用上述讲的分析一下最初的题目。

A线程执行:

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

B线程执行：

    public void reader(){        if (flag){              // (3)            b = a + 1           // (4)        }    }

1.先考虑大多数人考虑的情况：
指令顺序：（1）-> (2) -> (3) -> (4)，b = 1 +1 = 2

2.意想不到的情况
对于A线程来说，语句 （1）和（2）并不存在任何数据依赖问题。因此处理器可以对其进行重排序，也就是指令 （2）可能会先于指令（1）执行。
那么当指令按照（2）-> (3) -> (4) -> (1) 顺序，b = 0 +1 = 1

3.还有一种情况
对于B线程，处理器可能会提前处理 （4），将结果放到 ROB中，如果控制语句（3）为真，就将结果从ROB取出来直接使用，这是一种优化技术，预测。
所以指令执行顺序可能是 (4) -> x -> x ->x

看来4条语句都有可能最先被执行。

总结一下，在多处理器环境中，由于每个处理器都有自己的读写缓存区，所以会使部分数据不一致。JMM会有一系列 action 保证数据一致性，但是在多线程环境下，还是会有很多诡异的问题发生，这个时候就要考虑处理器，编译器重排序。