Java中的重排序与内存屏障详解

1. 重排序的概念与原因

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能，对指令执行顺序进行重新排列的现象。重排序主要发生在以下三个阶段：

1. 编译器重排序：在不改变单线程语义的前提下，编译器可能会调整语句的执行顺序。
2. 处理器重排序：现代CPU采用指令级并行技术（如流水线、多发射），可能乱序执行指令。
3. 内存系统重排序：由于CPU缓存的存在，多线程环境下，写操作可能延迟生效，导致其他线程看到的内存操作顺序与程序顺序不一致。

重排序的示例：

int a = 0, b = 0;  
// 线程1  
a = 1;  // 操作1  
b = 2;  // 操作2  
// 线程2  
while (b == 2) {  // 操作3  
    System.out.println(a);  // 操作4  
}  

若操作2和操作1被重排序，线程2可能先看到b=2，后看到a=1，导致输出a=0。

2. 数据依赖与重排序规则

重排序需遵守数据依赖性规则：若两个操作访问同一变量，且其中一个是写操作，则它们存在数据依赖，不能重排序。

• 写后读（a=1; b=a）
• 写后写（a=1; a=2）
• 读后写（b=a; a=1）
  但不同处理器或线程之间的数据依赖不会被编译器和CPU考虑，因此需通过内存屏障解决。

3. 内存屏障的作用与类型

内存屏障（Memory Barrier）是一组处理器指令，用于禁止特定类型的重排序，确保多线程环境下的内存可见性。主要分为以下四类：

1. LoadLoad屏障
   • 示例：Load1; LoadLoad; Load2
   • 作用：确保Load1的数据加载先于Load2及后续所有加载操作。
2. StoreStore屏障
   • 示例：Store1; StoreStore; Store2
   • 作用：确保Store1的数据刷新到内存先于Store2及后续所有存储操作。
3. LoadStore屏障
   • 示例：Load1; LoadStore; Store2
   • 作用：确保Load1的数据加载先于Store2及后续所有存储操作。
4. StoreLoad屏障
   • 示例：Store1; StoreLoad; Load2
   • 作用：确保Store1的数据刷新到内存先于Load2及后续所有加载操作（全能屏障，开销最大）。

4. Java中的内存屏障实现

在Java中，内存屏障通过以下方式实现：

1. volatile变量：
   • 写volatile变量时：插入StoreStore屏障（禁止与普通写重排序） + StoreLoad屏障（确保写操作对后续读可见）。
   • 读volatile变量时：插入LoadLoad屏障（禁止与普通读重排序） + LoadStore屏障（禁止与普通写重排序）。
2. synchronized锁：
   • 锁释放（解锁）相当于插入StoreLoad + StoreStore屏障。
   • 锁获取（加锁）相当于插入LoadLoad + LoadStore屏障。
3. Unsafe类：提供loadFence()、storeFence()、fullFence()等方法直接插入屏障。

5. happens-before规则与重排序

JMM通过happens-before规则定义内存可见性约束，部分规则依赖内存屏障实现：

• 程序顺序规则：单线程内操作按程序顺序执行（但允许重排序，只要结果一致）。
• volatile规则：写操作happens-before后续读操作（通过内存屏障保障）。
• 锁规则：解锁happens-before后续加锁。
• 传递性规则：若A happens-before B，B happens-before C，则A happens-before C。

6. 实战案例：DCL单例模式与volatile

著名的双重检查锁（DCL）需用volatile防止重排序导致的对象初始化问题：

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance;  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if (instance == null) {  
                    instance = new Singleton(); // 非原子操作：1.分配内存；2.初始化对象；3.赋值引用  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}  

若无volatile，步骤2和3可能被重排序，导致其他线程获取到未初始化的对象。volatile的写屏障禁止此重排序。

7. 总结

• 重排序是提升性能的重要手段，但需通过内存屏障保证多线程正确性。
• Java中volatile、synchronized、final等关键字隐式使用内存屏障。
• 理解重排序和内存屏障有助于编写高效且线程安全的并发代码。