Java中volatile防止指令重排

更新時(shí)間：2021年08月03日 11:24:52 作者：夏季的野獸

volatile可以防止指令重排，在多線程環(huán)境下有時(shí)候我們需要使用volatile來防止指令重排,來保證代碼運(yùn)行后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，感興趣的小伙伴們可以參考一下

什么是指令重排?

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器一般會(huì)進(jìn)行指令重排，一般分為以下三種：

指令重排有以下三個(gè)特點(diǎn):

1.單線程環(huán)境下指令重排后可以保證與順序執(zhí)行指令的結(jié)果一致(就是不進(jìn)行指令重排的情況)

//原來的執(zhí)行順序
a=1;
b=0;
//進(jìn)行指令重排后執(zhí)行
b=0;
a=1;

這兩個(gè)順序執(zhí)行的指令結(jié)果都是a=1,b=0

2.進(jìn)行指令重排的時(shí)候要考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性(某個(gè)指令的數(shù)據(jù)需要根據(jù)另一個(gè)指令的數(shù)據(jù)獲得)

//原來的執(zhí)行順序
a=0;    //指令1
a=10;    //指令2
b=a+1;   //指令3

//進(jìn)行指令重排后
a=0;        
b=a+1;    
a=10;

此時(shí)兩種順序輸出的結(jié)果就不一樣了，這是因?yàn)橹噶?的數(shù)據(jù)依賴于指令2,單線程環(huán)境下指令重排不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

3.多線程環(huán)境下，多個(gè)線程交替執(zhí)行，由于編譯器會(huì)進(jìn)行指令重排，結(jié)果無法預(yù)測。

為什么指令重排能夠提高性能

串行的代碼確實(shí)會(huì)按代碼語意正確的執(zhí)行（就是編寫的代碼的運(yùn)行邏輯），但是編譯器對(duì)于代碼本身的優(yōu)化卻并不一定會(huì)按實(shí)際的代碼一步一步的執(zhí)行,就比如下面這段代碼

public void process() {
    int a = 10;  #指令1
    int b = 20;  #指令2
}

代碼的執(zhí)行過程一定是是int a=10然后int b=20,但是代碼轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的指令可能是指令2，指令1。

我們知道指令的執(zhí)行可以分為這幾步：

取址 IF
譯碼和取寄存器操作數(shù) ID
執(zhí)行或者有效地址計(jì)算 EX (ALU邏輯計(jì)算單元)
存儲(chǔ)器訪問 MEM
寫回 WB (寄存器)

一段代碼并不是由單條指令就可以執(zhí)行完畢的，而是通過流水線技術(shù)來執(zhí)行多條指令。

流水線技術(shù)是一種將指令分解為多步，并讓不同指令的各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理,這樣就提高了指令的執(zhí)行速度

簡單來說就是通過指令重排,可以使用流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)指令的細(xì)分，然后實(shí)現(xiàn)幾條指令的并行處理，從而提高速度

volatile是怎么禁止指令重排的?

這就涉及到一個(gè)概念內(nèi)存屏障（內(nèi)存柵欄）,它是一個(gè)cpu指令,有兩個(gè)作用:

保證某些特定操作的執(zhí)行順序
保證某些變量的內(nèi)存可見性(實(shí)現(xiàn)了volatile保證可見性)

編譯器和處理器都可以進(jìn)行指令重排，那么如果我們?cè)诔绦蛑胁迦胍粭lMemery Barrier(內(nèi)存屏障),那么就會(huì)告訴編譯器和cpu不能對(duì)這條指令進(jìn)行重排，也就是說通過插入內(nèi)存屏障，使屏障前后的指令不會(huì)進(jìn)行重排優(yōu)化,內(nèi)存屏障還可以強(qiáng)制刷出cpu的緩存，因此cpu上的線程都能讀到這些數(shù)據(jù)的最新版本。

簡單來說就是插入內(nèi)存屏障后告訴cpu和編譯器,這個(gè)內(nèi)存屏障前后的指令你不要給我進(jìn)行重排序

內(nèi)存屏障分為四種：

StoreStore屏障、StoreLoad屏障、LoadLoad屏障、LoadStore屏障。