JMM指令重排序的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關JMM指令重排序的示例分析的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一、指令為什么要重排序？

在計算機系統中，指令為了更快的完成結果，會根據邏輯關系、指令大小進行重排序，以達到超流水線的效果，但在代碼執行完后，保證結果輸出是一致的。

在JVM中又兩條原則：

• as-if -serials         這個規則適用于單線程，默認自動處理

• happens-before   這個規則適用于多線程，當然也要通過相應的鎖和關鍵字來實現

二、JMM（Java Memory Manager）指令重排序如何實現的呢？

我們知道，JIT會根據CPU架構編譯合適的代碼去執行，因此，在匯編層面討論反而不見得能統一意見，比如X86，他只有lock來實現，其他CPU架構則是LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad。

實際上我們還是在JIT層面思考比較容易理解，這里我們定義一個類

（注意：這個類未必和JIT實際效果一致，取決于JIT激進程度）

package com.apptest;

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private String C;
    private String D;
    private String E;

    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";
        A = a;
        B = b;
        C = c;
        D = d;
        E = e;

        System.out.println(A);
        System.out.println(B);
        System.out.println(C);
        System.out.println(D);
        System.out.println(E);
    }
}

那么如果重排序，效果可能如下

package com.apptest;

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private String C;
    private String D;
    private String E;

 
    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";

        A = a;
        System.out.println(A);

        B = b;
        System.out.println(B);

        C = c;
        System.out.println(C);
        D = d;
        System.out.println(D);

        E = e;
        System.out.println(E);
    }
}

這是JIT可能重排序后的結果，實際上寄存器、CPU也會進行重排序，但最終也會保證內存一致性。

三、如何禁止指令重排序呢？

Java中，禁止指令重排序的關鍵字只有2個，一個是volatile、另一個是final，某種成都上，也能說明final和volatile不能同時修飾一個變量的原因，因為他們的功能有些重疊。

3 .1  要不要禁止

首先要確定要不要禁止重排序，重排序往往在多線程中出現問題，如果程序在串行執行，完全沒有必要，因此，單線程中的引用類型（不包括常量和字符串常量，這些類型引用建議加final）建議不要加final和volatile，當然，final需要考慮深入一些，因為有時我們需要做一些強約束，但總體來說能不加就不加。

3.2 原理

多線程中，維護hanpens-before原則不是JVM自身就能處理的，還需要在代碼層面進行相應的指示，此外，相應的JIT會將指示編譯成指令，讓寄存器和CPU也遵守。

指令重排序的達到的最終效果

讀操作

寫操作

3.3 效果演示

回到文章開頭，我們給VolatileWatcher的C變量添加volatile修飾，那么JIT重排序后的結果可能是如下情況

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private volatile String C;
    private String D;
    private String E;

    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";
        B = b;
        A = a;
        C = c; //寫屏障
        E = e;
        D = d;

        System.out.println(A);
        System.out.println(B);
        System.out.println(C); //讀屏障
        System.out.println(D);
        System.out.println(E);
    }
}

我們發現，A、B不能跨越C變量的寫屏障往下重排序，但是屏障上方的A、B之間也是可以重排序的，E、D不能跨越讀屏障，但是E、D可以在讀屏障和寫屏障之間排序。（這里故意寫成A，B，E，D在屏障外順序變化，目的主要是為了說明屏障的作用，具體看實際效果）

四、final和volatile的區別？

我們知道，final修飾的是只讀變量，有很強的“只讀”約束性，所有final修飾的變量都需要在構造方法中初始化（類外部final字段的最終會插入到super(...)之后 ），而volatile一般用于多線程變量的讀寫，但他們都具備實現內存屏障的能力，可以說，都能實現禁止重排序。

不同點：

final字段的寫操作，只作用于構造函數。

final字段的讀操作，讀取和volatile基本一樣

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