as-if-serial规则和happens-before规则的区别

你的名字 2020-06-14 10:17 786阅读 0赞

为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度，我们需要了解as-if-serial规则和happens-before规则

### 文章目录 ###

*  as-if-serial规则
    
    happens-before规则
    
     *  happens-before定义
     *  具体规则
    
    as-if-serial与happens-before的区别

## as-if-serial规则 ##

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

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。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 和处理器共同让编写单线程程序的程序员产生了一个**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。

## happens-before规则 ##

上面的内容讲述了重排序原则，一会是编译器重排序一会是处理器重排序，如果让程序员再去了解这些底层的实现以及具体规则，那么程序员的负担就太重了，严重影响了并发编程的效率。因此，JMM为程序员在上层提供了六条规则，这样我们就可以根据规则去推论跨线程的内存可见性问题，而不用再去理解底层重排序的规则。

### happens-before定义 ###

happens-before的概念最初由Leslie Lamport在其一篇影响深远的论文（《Time，Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System》）中提出，有兴趣的可以google一下。JSR-133使用happens-before的概念来指定两个操作之间的执行顺序。由于这两个操作可以在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。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**（如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见）。具体的定义为：

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，那么这种重排序并不非法（也就是说，JMM允许这种重排序）。

上面的**1）是JMM对程序员的承诺**。

**从程序员的角度来说，可以这样理解happens-before关系：如果A happens-before B，那么Java内存模型将向程序员保证——A操作的结果将对B可见，且A的执行顺序排在B之前。注意，这只是Java内存模型向程序员做出的保证！**

上面的**2）是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则**。

正如前面所言，JMM其实是在遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。JMM这么做的原因是：程序员对于这两个操作是否真的被重排序并不关心，程序员关心的是程序执行时的语义不能被改变（即执行结果不能被改变）。因此，happens-before关系本质上和as-if-serial语义是一回事。

### 具体规则 ###

具体的一共有六项规则：

1.  程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
2.  监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
3.  volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
4.  传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
5.  start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
6.  join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
7.  程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
8.  对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

下面以一个具体的例子来讲下如何使用这些规则进行推论：

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

依旧以上面计算圆面积的进行描述。利用程序顺序规则（规则1）存在三个happens-before关系：1. A happens-before B；2. B happens-before C；3. A happens-before C。这里的第三个关系是利用传递性进行推论的。A happens-before B，定义1要求A执行结果对B可见，并且A操作的执行顺序在B操作之前，但与此同时利用定义中的第二条，A，B操作彼此不存在数据依赖性，两个操作的执行顺序对最终结果都不会产生影响，在不改变最终结果的前提下，允许A，B两个操作重排序，即**happens-before关系并不代表了最终的执行顺序**。

## as-if-serial与happens-before的区别 ##

下面来比较一下as-if-serial和happens-before：

> **as-if-serial VS happens-before**

1.  as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。
2.  as-if-serial语义给编写单线程程序的程序员创造了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的。happens-before关系给编写正确同步的多线程程序的程序员创造了一个幻境：正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的。
3.  as-if-serial语义和happens-before这么做的目的，都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。