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3.2.4 重排序对多线程的影响
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本文所属图书 > Java并发编程的艺术

并发编程领域的扛鼎之作,作者是阿里和1号店的资深Java技术专家,对并发编程有非常深入的研究,《Java并发编程的艺术》是他们多年一线开发经验的结晶。本书的部分内容在出版早期发表在Java并发编程网和InfoQ等技立即去当当网订购
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 f?lag = false;

    public void writer() {
        a = 1; // 1
        f?lag = true; // 2
    }

    Public void reader() {
        if (f?lag) { // 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的写入呢?
 
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,如图3-8所示。
 
 
如图3-8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f?lag,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!
 
本文统一用虚箭线标识错误的读操作,用实箭线标识正确的读操作。
 
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,程序执行的时序图,如图3-9
所示。
 
 
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3-9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。
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