Java中怎么利用volatile防止指令重排

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什么是指令重排?

計算機在執(zhí)行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器一般會進行指令重排，一般分為以下三種：

指令重排有以下三個特點:

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(就是不進行指令重排的情況)

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

這兩個順序執(zhí)行的指令結(jié)果都是a=1,b=0

2.進行指令重排的時候要考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性(某個指令的數(shù)據(jù)需要根據(jù)另一個指令的數(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

//進行指令重排后
a=0;        
b=a+1;    
a=10;

此時兩種順序輸出的結(jié)果就不一樣了，這是因為指令3的數(shù)據(jù)依賴于指令2,單線程環(huán)境下指令重排不會出現(xiàn)這種情況。

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

為什么指令重排能夠提高性能

串行的代碼確實會按代碼語意正確的執(zhí)行（就是編寫的代碼的運行邏輯），但是編譯器對于代碼本身的優(yōu)化卻并不一定會按實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)換成計算機可以識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)行或者有效地址計算 EX (ALU邏輯計算單元)

• 存儲器訪問 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)實現(xiàn)指令的細分，然后實現(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?

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

• 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(實現(xiàn)了volatile保證可見性)

編譯器和處理器都可以進行指令重排，那么如果我們在程序中插入一條Memery Barrier(內(nèi)存屏障),那么就會告訴編譯器和cpu不能對這條指令進行重排，也就是說通過插入內(nèi)存屏障，使屏障前后的指令不會進行重排優(yōu)化,內(nèi)存屏障還可以強制刷出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,這個內(nèi)存屏障前后的指令你不要給我進行重排序

內(nèi)存屏障分為四種：

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

• Load相當于讀屏障

• Store相當于寫屏障

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