Data Race Free 的前世此生

Data Race Free 是多線程程序是很是重要的概念，由於Java 和 C++的內存模型都是基於 Data Race Free 的，這篇文章將介紹這個概念的由來，另外一篇文章《對Data Race Free的理解》介紹它的主要思想。

事情要追溯到遙遠的1979年， Lamport 在他的著名論文 How to make a multiprocessor computer that correctly executes multiprocess programs 中提出了從此在內存模型領域被普遍使用的概念 ：sequential consistency，即順序一致性。這篇文章告訴咱們，你要作一臺多處理器的計算機，須要知足什麼條件，才能保證程序的正確性。固然，這裏的程序跑在不一樣處理器上，共享同一塊內存。雖然如今不說多處理器了，都說多核，多線程，可是問題的本質是沒有變的。就是多個執行單元一塊兒完成一個任務，而且經過共享存儲單元的方式通訊，在這種狀況下，底層的系統須要提供什麼樣的支持，才能保證計算的結果和程序員的預期是同樣的。

7年後的1986年，Dubois, Scheurich , Briggs 三人在論文 Memory access buffering in multiprocessors 中對 Lamport 的工做進行了擴展，他們提出了一種框架，用於分析共享內存的多處理器系統中的一致性問題。文中引入了三個 states，以此爲基礎提出了strong ordering的概念，並說明了他與Lamport提出的sequential consistency是一致的。可是，strong ordering對內存操做的限制太強了，對系統性能是一個阻礙，因此，他們又提出了 weak ordering的概念，以此提升系統性能。 知足weak ordering的系統並非 sequential consistency的，程序員們須要本身去聲明同步變量，以保證程序的正確性。

又過了4年，到了1990年，Adve大媽出手了，大媽如今是內存模型這個領域的權威，Java和C++內存模型的確立都有大媽的功勞，而Java和C++內存模型中至關重要的Data Race Free 概念就是Adve大媽在這一年提出的。

在這篇名爲 Weak ordering—a new definition的文章中，Adve對Dubois等人提出的Weak Ordering進行了新的定義，並作出了一些修改以便進一步提升系統的性能。 新的定義出於這樣一種想法，程序員習慣使用 sequential consistency來推斷程序的運行結果，而底層的系統要想取得更高的性能，又不能使用sequential consistency內存模型來運行程序。那麼

如何使得程序員可使用sequential consistency推斷程序結果，底層的實現又能夠進行種種優化呢？

解決方案是：對程序自己進行足夠的同步。

這種內存模型保證：若是你的程序進行了足夠的同步，那麼在個人weak oerding內存模型上運行，我能夠保證結果和你在sequential consistency模型下運行的結果同樣。

這樣一來，程序員保證程序正確同步，就可使用sequential consistency推斷程序結果，而底層又能夠靈活地進行各類優化，提升系統性能。

這裏有一個關鍵問題：

什麼叫「足夠的同步」

Adve提出了Data Race Free的概念，也就是說，你的程序要是知足Data Race Free的條件了，你的同步就足夠了，「足夠」的意思就是說，這程序在weak ordering上跑和在sequential consistency上跑，結果是同樣同樣的～

Adve對weak ordering給出的新定義是：

Hardware is weakly ordered with respect to a synchronization model if and only if it appears sequentially consistent to all software that obey the synchronization model.

這裏的synchronization model的一種實現方式，就是 Data Race Free。

Data Race Free 後來成爲了 Java 和 C++ 內存模型的基礎。

Java 的內存模型最先出如今1995年，可是自1997年起，這一內存模型被發現了許多嚴重的錯誤和缺陷，它阻礙了不少優化措施，對程序的安全性也沒有足夠的保證。2001年JSR 133被確立下來，由William Pugh領導，專家組的成員包括了Adve，Doug Lea， William Pugh等。2004年，JSR 133最終版本發佈。2005年，Manson Jeremy, William Pugh, 和 Sarita V. Adve 一同發表了論文 The Java memory model，描述了最新的Java內存模型，這一內存模型在Java 5.0中引入，一直沿用至今。

Java 內存模型的關鍵是：若是多線程程序知足Data Race Free，那麼內存模型保證程序執行結果和sequentially consistent模型下同樣。另外，Java 內存模型的複雜之處還在於，爲了保證程序的安全性，即便多線程程序不知足Data Race Free，咱們也要對它進行必定程度的限制，這種限制必須恰到好處，太強會阻礙合理的優化，太弱保證不了程序的安全性。

三年後的2008年，Hans-J. Boehm 和 Sarita V. Adve 一同發表了文章 Foundations of the C++ concurrency memory model，描述了C++內存模型的基礎，這一內存模型爲C++ 11標準中的線程提供了明確的語義。

C++內存模型與的關鍵在於：若是多線程程序知足Data Race Free，那麼內存模型保證程序執行結果和sequentially consistent模型下同樣。與Java內存模型不一樣，對於那些不知足 Data Race Free的多線程程序，C++內存模型不對其結果提供任何保證。另外，C++內存模型提供了一些特性用以實現不一樣的內存模型。