Java中volatile防止指令重排

目录
  • 什么是指令重排?
  • 为什么指令重排能够提高性能
  • volatile是怎么禁止指令重排的?

volatile可以防止指令重排，在多线程环境下有时候我们需要使用volatile来防止指令重排,来保证代码运行后数据的准确性

什么是指令重排?

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器一般会进行指令重排，一般分为以下三种：

指令重排有以下三个特点:

1.单线程环境下指令重排后可以保证与顺序执行指令的结果一致(就是不进行指令重排的情况)

//原来的执行顺序
a=1;
b=0;
//进行指令重排后执行
b=0;
a=1;

这两个顺序执行的指令结果都是a=1,b=0

2.进行指令重排的时候要考虑指令之间的数据依赖性(某个指令的数据需要根据另一个指令的数据获得)

//原来的执行顺序
a=0;    //指令1
a=10;    //指令2
b=a+1;   //指令3

//进行指令重排后
a=0;
b=a+1;
a=10;

此时两种顺序输出的结果就不一样了，这是因为指令3的数据依赖于指令2,单线程环境下指令重排不会出现这种情况。

3.多线程环境下，多个线程交替执行，由于编译器会进行指令重排，结果无法预测。

为什么指令重排能够提高性能

串行的代码确实会按代码语意正确的执行（就是编写的代码的运行逻辑），但是编译器对于代码本身的优化却并不一定会按实际的代码一步一步的执行,就比如下面这段代码

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

代码的执行过程一定是是int a=10然后int b=20,但是代码转换成计算机可以识别的指令可能是指令2，指令1。

我们知道指令的执行可以分为这几步：

  • 取址 IF
  • 译码和取寄存器操作数 ID
  • 执行或者有效地址计算 EX (ALU逻辑计算单元)
  • 存储器访问 MEM
  • 写回 WB (寄存器)

一段代码并不是由单条指令就可以执行完毕的，而是通过流水线技术来执行多条指令。

流水线技术是一种将指令分解为多步，并让不同指令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理,这样就提高了指令的执行速度

简单来说就是通过指令重排,可以使用流水线技术实现指令的细分，然后实现几条指令的并行处理，从而提高速度

volatile是怎么禁止指令重排的?

这就涉及到一个概念内存屏障（内存栅栏）,它是一个cpu指令,有两个作用:

  • 保证某些特定操作的执行顺序
  • 保证某些变量的内存可见性(实现了volatile保证可见性)

编译器和处理器都可以进行指令重排，那么如果我们在程序中插入一条Memery Barrier(内存屏障),那么就会告诉编译器和cpu不能对这条指令进行重排，也就是说通过插入内存屏障，使屏障前后的指令不会进行重排优化,内存屏障还可以强制刷出cpu的缓存，因此cpu上的线程都能读到这些数据的最新版本。

简单来说就是插入内存屏障后告诉cpu和编译器,这个内存屏障前后的指令你不要给我进行重排序

内存屏障分为四种：

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

  • Load相当于读屏障
  • Store相当于写屏障

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