Java内存模型和并发

Question

给定x86总存储顺序和Java内存模型中的事前发生关系，我们知道编译器不能保证指令的执行顺序。 它可以根据需要重新排序，以提高性能。 鉴于此，我们有：

• EAX ， EBX是寄存器的名称
• [x] ， [y]是存储位置
• r1和r2是局部变量的名称
• x ， y是所有线程均可访问的共享变量。 所有变量均为32位整数。
• 不，这不是一个家庭作业问题 。

所以我有两类问题试图确定可能的输出：

[x] == [y] == 0 // the address space of [x] and [y] are 0.

// Thread 1                         Thread 2
MOV [x] <- 1                        MOV [y] <- 1
MOV EAX <- [y]                      MOV EBX <- [x]

EBX和EAX寄存器的可能值是哪些？

int x = 0;
int y = 0;

// Thread 1                         Thread 2
x = 1;                              y = 1; 
r1 = y;                             r2 = x;

r1和r2的可能值是多少？

Answer 1

JVM保证写32-bit integer是atomic的，因此这不是问题。

您有2个变量x和y在线程之间共享而不synchronization 。

1. Thread1突变x并读取y。
2. Thread2 y突变并读取x。

因此， thread1可以看到旧值y（1或0）， thread2可以看到旧值x（1,0）。

这意味着您可以获得（eax，ebx）的所有四种可能的组合：（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）

Answer 2

x86具有严格排序的内存模型，但仍允许StoreLoad重新排序 。

Jeff Preshing的博客文章： 法案中涉及的内存重新排序正是使用那对存储-然后-加载序列作为测试用例，以证明真正可以在真实硬件上观察到重新排序。 他拥有源代码和所有内容。

请注意，每个线程都有其自己的体系结构状态（包括所有寄存器）。 因此，线程1的EAX与线程2的EAX不同。 在thread2中使用EBX仅使谈论变得更容易，与可以实现的POV没有任何区别。

无论如何，两个寄存器都可以以0结尾。这种情况很少发生，但是可以这样，因为每个线程的存储都可以延迟（在存储缓冲区中或其他任何方式），直到另一个线程的负载选择了一个值。 将此设置为合法状态可使CPU主动使用预取的数据来满足负载并缓冲存储，以使它们在退休时可能不会立即在全局上可见。 （“退休”表示运行该指令的线程的体系结构状态（包括EIP）已移至下一条指令，并且已提交效果。）

一旦尘埃落定，其他可能性始终包括两个全局变量均为1 。 每个线程的寄存器中所有4种可能的零值和1都是可能的，包括1 。 他们可能会看到彼此的商店。 我不确定这有多大可能。 它可能需要在存储之后但在加载之前中断一个线程。 如果两个线程都在同一物理核心上运行（超线程），则这种可能性更大 。

---

即使x和y的存储未对齐并越过高速缓存行，也只能使用0和1 。 （C编译器输出和JVM将使变量按照它们的自然对齐方式对齐，这使它成为非问题，但是您可以在asm中执行任何您想做的事情，所以我想我提到了。）发生这种情况是因为两个值仅不同在最低有效字节中。

如果你正在存储32位-1到跨越两个高速缓存行的4个字节，其它线程可以加载的值0x00ffffff或0xff000000 ， 0x0000ffff或0xffff0000 （取决于高速缓存行边界在何处）等，以及通常为0或0xffffffff （又名-1 ）。

---

回复：Java。 我还没有阅读过Java内存模型。 其他答案是说它甚至允许编译时重新排序（例如c ++ 11的std :: atomic规则 ）。 即使没有，即使没有完整的内存屏障，也会发生StoreLoad重新排序。 因此， 所有四个结果都是可能的 。

即使您的JVM在x86 CPU（而不是像ARM这样的弱排序硬件）上运行，也是如此。

对另一个问题的这个答案也许可以揭示为什么在x86上存在LFENCE / SFENCE，即使在大多数情况下它们都不工作。 （即，当不使用movnt或弱排序的内存区域（例如USWC视频内存）时）。

或者，只需阅读Jeff Preshing的其他博客文章，以了解有关内存排序的更多信息。 我发现它真的有用自己。

Answer 3

我们可以简单地标记如下语句：

A) [x] <- 1            C) [y] <- 1

B) EAX <- [y]           D) EBX <- [x]

我们知道A在B之前，C在D之前，因此只需将C和D插入所有可能的排列中的AB中即可：

CDAB
CADB
CABD
ACDB
ACBD
ABCD

并考虑每种可能性的含义，注意大多数以AC或CA开头，输出(EAX,EBX)=(1,1)因为分配是在设置EAX和EBX之前进行的。 剩下的就是检查另外两种可能性。 CDAB给出(EAX,EBX)=(1,0) ，而ABCD给出(EAX,EBX)=(0,1) 。

对于Java版本，您声明编译器不保证所执行语句的顺序。 在这种情况下，不难对A ， B ， C和D进行排序以获得（0,0），（1,0），（0,1）和（1,1）。