指令重排序和內存屏障

1、指令重排序

　　指令重排序分爲三種，分別爲編譯器優化重排序、指令級並行重排序、內存系統重排序。如圖所示，後面兩種爲處理器級別（即爲硬件層面）。

• 編譯器優化重排序：編譯器在不改變程序執行結果的狀況下，爲了提高效率，對指令進行亂序的編譯。例如在代碼中A操做須要獲取其餘資源而進入等待的狀態，而A操做後面的代碼跟其沒有依賴關係，若是編譯器一直等待A操做完成再往下執行的話效率要慢的多，因此能夠先編譯後面的代碼，這樣的亂序能夠提高不小的編譯速度。
• 指令級並行重排序：處理器在不影響程序執行結果的狀況下，將多條指令重疊在一塊兒執行，一樣也是爲了提高效率。
• 內存系統重排序：這個跟以前兩個不一樣的是，其爲僞重排序，也就是說只是看起來像在亂序執行而已。對於現代的處理器來講，在CPU和主內存之間都具有一個高速緩存，高速緩存的做用主要爲減小CPU和主內存的交互（CPU的處理速度要快的多），在CPU進行讀操做時，若是緩存沒有的話從主內存取，而對於寫操做都是先寫在緩存中，最後再一次性寫入主內存，緣由是減小跟主內存交互時CPU的短暫卡頓，從而提高性能，可是延時寫入可能會致使一個問題——數據不一致。

  // CPU1執行如下操做
  a = 1; int i = b; // CPU2執行下面操做 b = 1; int j = a;
  
  其執行圖以下：

      

   

   　　　　從上面圖中咱們能夠看到，對於CPU來講，先將a = 1寫入緩存在讀取變量b，事後在寫入a到主內存，而這個操做從表面上看就變成了先讀取變量b，在寫入a到主內存，也就是發生了重排序，因此才說這爲僞重排序。

          而從上面咱們也能夠看出，因爲CPU1和2寫入的時機不一樣，最終可能致使讀到的(a,b)變量有四種狀況，分別是(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)。例如，在兩個緩存未寫入主內存的時候就進行變量讀取，這時候讀到的就爲(0,0)，其餘狀況類推。因此Java在實現內存模型的時候會禁止特定類型的重排序。

 

 　　as-if-serial語義：這是重排序都須要遵循的規則，其大體意思就是在單線程中，只要不改變程序的最終執行結果，那麼爲了提高性能能夠改變指令執行的順序。

2、內存屏障

　　在編譯器方面使用volatile關鍵字能夠禁止指令重排序，而在硬件方面實現禁止指令重排序的則是內存屏障。其中包括硬件層原本就有的LoadBarriers和StoreBarriers 和JVM封裝實現的四種內存屏障。

　  從硬件層上

　　　　內存屏障分爲兩種，LoadBarriers和StoreBarriers。

• • LoadBarriers：在執行屏障後一個操做前，保證已經刷新了緩存的數據，也就是說使緩存失效，強制從內存刷新數據到緩存中。
    

    i = a; LoadBarriers; // ..其餘操做

    如上僞代碼中，在執行其餘操做以前必須保證a的變量從主內存中讀取而且刷新到緩存中。

  • StoreBarriers：此屏障以前的寫入緩存中的數據同步到內存中，而且保證其餘線程可見。

    a = 1; b = 2; c = 3; StoreBarriers; // ..其餘操做

    如上僞代碼中，保證在其餘操做以前，寫入緩存中的a,b,c三個變量同步到主內存中，而且其餘線程能夠觀察到變量的變化。

　　JVM實現的內存屏障

1. LoadLoad：對於Load1；LoadLoad；Load2這樣的狀況，保證Load1先於Load2及以後的Load操做，且對其可見。例如：

   ... int i = a; LoadLoad; int j = b;

   在這段代碼中，在int j = b以及後面的Load操做中，都能見到int i = a的操做，也就是int i = a先於後面的讀取操做。即，禁止int i = a和以後的讀操做重排序。

2. LoadStore：對於Load1；LoadStore；Store1來講，保證Load1操做先於Store1以及後面的Store操做，即對後Store操做可見。如：

   int i = a; LoadStore b = 1;
   
   // int i = a對於b = 1及以後的store操做都可見。

3. StoreLoad：同上，Store1；StoreLoad；Load1狀況來講，保證Store1操做先於後續的全部Load操做，而且其Store的變量操做對其餘處理器可見。因爲Store操做會當即刷新到內存並對其餘處理器緩存可見的特性，其具有其餘三個屏障的功能，可是相對的，其花費的開銷較大。
4. StoreStore：在Store1；StoreStore；Store2狀況中，保證Store1操做先於Store2操做，即在Store1後續的Store操做以前，Store1操做保證刷新到內存而且對其餘處理器可見。

 　volatile的禁止指令重排序

　　　　咱們都知道volatile關鍵字有兩個語義：

• • 保證內存可見性
  • 禁止指令重排序

　　　　其中JVM對其禁止指令重排序在硬件層面的實現就是經過在volatile修飾的變量先後插入內存屏障。volatile變量的內存屏障規則以下：

　　在每一個volatile寫操做前插入StoreStore屏障，在寫操做後插入StoreLoad屏障；
　　在每一個volatile讀操做前插入LoadLoad屏障，在讀操做後插入LoadStore屏障；

　　　　而在編譯器方面則是由於對於volatile變量內存中的六種操做會有特殊的規則，能夠看看個人另外一篇文章——淺談內存模型，裏面介紹了volatile兩種語義的原理，同時也說明了volatile關鍵字沒有原子性的緣由。

 

 

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原文出處：https://www.cnblogs.com/zhangweicheng/p/11674660.html