多线程之指令重排序

本文详细解释了指令重排序的概念及其对程序性能优化的影响,并通过实例探讨了重排序如何影响单线程与多线程程序的执行结果。重点介绍了数据依赖性、控制依赖性及as-if-serial语义的概念,以及重排序对多线程程序语义的影响。

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1、首先为何要指令重排序(instruction reordering)?

编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。

也就是说,对于下面两条语句:
int a = 10;
int b = 20;

在计算机执行上面两句话的时候, 有可能第二条语句会先于第一条语句执行。所以,千万 不要随意假设指令执行的顺序。


2、是不是所有的语句的执行顺序都可以重排呢?

答案是否定的。为了讲清楚这个问题,先讲解另一个概念: 数据依赖性

2.1、什么是数据依赖性

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。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。所以,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。也就是说:在单线程环境下,指令执行的最终效果应当与其在顺序执行下的效果一致,否则这种优化便会失去意义。这句话有个专业术语叫做as-if-serial semantics (as-if-serial语义)

3、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:

[java]  view plain  copy
  1. class ReorderExample {  
  2.     int a = 0;  
  3.     boolean flag = false;  
  4.   
  5.     public void writer() {  
  6.         a = 1;          // 1  
  7.         flag = true;    // 2  
  8.     }  
  9.   
  10.     public void reader() {  
  11.         if (flag) {            // 3  
  12.             int i = a * a; // 4  
  13.         }  
  14.     }  
  15. }  

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:


上图的执行顺序是:2 -> 3 -> 4 -> 1 (这是完全存在并且合理的一种顺序,如果你不能理解,请先了解CPU是如何对多个线程进行时间分配的)

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!

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。下面是操作3和操作4重排序后,程序的执行时序图:


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。

参考:

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-2
http://blog.hesey.net/2011/07/reordering.html

<think>嗯,用户想了解指令重排序多线程程序正确性的影响。首先,我需要回忆一下指令重排序的基本概念。根据引用[2]和[3],指令重排序是编译器或处理器为了优化性能而对指令执行顺序进行的调整。在单线程情况下,这种调整不会影响程序结果,因为会保持数据依赖性。但多线程环境下,由于线程间的交互,可能会导致问题。 接下来,我需要分析具体的影响。引用[1]提到,单线程中优化不影响结果,但多线程中会导致可见性问题。比如,用户提到的例子,两个线程分别读取和写入不同的变量,但由于重排序,可能导致其他线程看到非预期的结果。例如,线程A先执行flag=true,后执行data=123,而线程B可能先看到flag为真,但data还没被赋值,导致使用未初始化的数据。 然后,需要考虑数据依赖性。根据引用[3],存在数据依赖的操作不会被重排序。比如a=10; b=a+1; 这两个语句的顺序不会改变。但像a=10; b=20;这样的独立操作可能会被重排,这在多线程中可能引发问题。 另外,需要提到内存可见性问题。引用[2]指出,即使没有重排序,由于存储子系统重排序(如缓存不一致),线程可能看到过期的数据。比如,线程A更新了变量,但线程B读取的可能是旧值,因为修改还没同步到主存。 解决方案方面,应该提到Java中的volatile关键字、synchronized锁、final变量,以及内存屏障等机制。例如,volatile通过禁止重排序和强制刷新内存来保证可见性,而synchronized则通过互斥和内存屏障来确保原子性和可见性。 最后,需要举一个具体的例子,比如双重检查锁定单例模式中的问题,说明指令重排序如何导致对象未完全初始化就被使用,以及如何用volatile修复这个问题。同时,要总结这些影响,并强调正确使用同步机制的重要性。</think>### 指令重排序多线程程序正确性的影响分析 指令重排序(Instruction Reordering)是编译器、处理器或内存子系统为了提高程序执行效率而对指令顺序进行的调整。在单线程程序中,这种优化不会改变程序的最终结果,但在多线程环境下,由于线程间的交互和共享数据的可见性问题,指令重排序可能导致程序行为与预期不符。以下是具体影响和案例分析: --- #### 1. **破坏原子操作的可见性** 在多线程中,若未正确同步共享变量,指令重排序可能导致其他线程观察到“部分执行”的结果。例如: ```java // 线程A data = 123; // 操作1 flag = true; // 操作2(可能被重排序到操作1之前) // 线程B while (!flag); // 等待操作2完成 System.out.println(data); // 可能输出0(未初始化的data) ``` 若操作2被重排序到操作1之前,线程B可能提前看到`flag=true`,但`data`尚未赋值,导致读取到错误值[^2][^3]。 --- #### 2. **违反程序的逻辑顺序** 即使代码在编写时符合逻辑顺序,指令重排序可能导致实际执行顺序混乱。例如: ```java int x = 0, y = 0; // 线程A x = 1; // 操作A1 y = 2; // 操作A2 // 线程B int a = y; // 操作B1 int b = x; // 操作B2 ``` 若操作A1和A2被重排序线程B可能观察到`a=2`且`b=0`,与预期的`a=2, b=1`不一致。 --- #### 3. **数据依赖性被破坏** 虽然编译器/处理器会保留**数据依赖关系**(如`a=10; b=a+1;`),但**控制依赖**或**跨线程依赖**可能被忽略。例如: ```java // 线程A object = new Object(); // 可能分解为:1.分配内存;2.初始化对象;3.赋值引用 // 线程B if (object != null) { object.doSomething(); // 可能访问未完全初始化的对象 } ``` 若步骤3被重排序到步骤2之前,线程B可能拿到未初始化的对象引用[^2]。 --- #### 4. **存储子系统重排序** 即使编译器未重排序指令,内存子系统(如缓存)可能导致写入操作对其他线程不可见。例如: ```java // 线程A sharedVar = 100; // 写入本地缓存,未刷新到主内存 // 线程B System.out.println(sharedVar); // 可能输出旧值(如0) ``` 此时需要内存屏障(Memory Barrier)强制刷新缓存。 --- ### 解决方案 1. **使用同步机制** - **`volatile`关键字**:禁止指令重排序并保证可见性[^2]。 - **`synchronized`锁**:通过互斥和内存屏障确保原子性及可见性。 - **`final`变量**:初始化完成后对其他线程可见(JMM保证)。 2. **内存屏障** 显式插入屏障指令(如Java中的`Unsafe.loadFence()`)限制重排序范围。 3. **避免无保护共享变量** 尽量使用线程本地变量(ThreadLocal)或不可变对象(Immutable Objects)。 --- #### 典型案例:双重检查锁定(Double-Checked Locking) 错误实现: ```java class Singleton { private static Singleton instance; public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // 第一次检查 synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { // 第二次检查 instance = new Singleton(); // 可能重排序! } } } return instance; } } ``` 问题:`instance = new Singleton()`可能被分解为: 1. 分配内存 → 2. 赋值引用(未初始化) → 3. 初始化对象。 若步骤2和3被重排序,其他线程可能拿到未初始化的对象。 修复方法: 使用`volatile`修饰`instance`以禁止重排序: ```java private static volatile Singleton instance; ``` --- ### 总结 指令重排序通过以下方式影响多线程正确性: 1. **可见性问题**:线程可能读取到过期的共享变量。 2. **顺序性问题**:逻辑顺序被破坏导致结果异常。 3. **原子性问题**:非原子操作被其他线程干扰[^1][^3]。 通过合理使用同步工具和内存屏障,可以规避这些问题。 ---
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