java 指令重排会影响结果吗 java重排序导致的问题

转载

mob6454cc65e0f6 2024-04-01 07:14:34

文章标签 java 指令重排会影响结果吗 java 并发编程多线程重排序 文章分类 Java 后端开发

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段
重排序发生位置:编译器,CPU,处理器使用缓存和读/写缓冲区.
重排序会出现的问题:内存可见性问题.
重排序解决方案:
编译器重排序:JMM禁止特定类型的编译器重排序,
处理器重排序:生成特定的指令序列,插入内存屏障

数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。例如

名称	代码示例	说明
写后读	a=1；b=a；	写一个变量之后，再读这个变量
写后写	a=1；a=2；	写一个变量之后，再写这个变量
读后写	a=b；b=1；	读一个变量之后，再写这个变量

以上3中情况只要重排序，程序的执行结果就会被改变。
编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性。
编译器和处理器不会改变存在数据依赖性关系的两个操作的执行顺序。（单线程）

as-if-serial

不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度）（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial
编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

double pi=3.14; A
    double r=1.0; B
    double area=pi*r*r; C

C不会排在AB之前，A和B可以发生重排序
as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变，happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

程序顺序规则

根据 happens-before程序顺序规则，计算圆的面积存在3个happens-before。

1. A happens-before B。
2. B happens-before C。
3. A happens-before C。

1、2操作不存在数据依赖，允许JMM允许编译器和处理器重排序。

重排序发生位置

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

编译器优化的重排序:编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序:现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的顺序。
内存系统的重排序:由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。禁止特定类型的编译器和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性的保证。
对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。
对于处理器重排序,JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器再生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

内存屏障

屏障类型	指令类型	说明
LoadLoad Barriers	Load1;LoadLoad;Load2	确保Load1数据的装载先于Load2所有后续装载指令的装载
StoreStore Barriers	Store1;StoreStore;Store2	确保Store1数据对其他处理器可见（刷新到内存）先于Store2及所有后续存储指令的存储
LoadStore Barriers	Load1;LoadStore;Store2	确保Load1数据装载咸鱼Store2及所有后续的存储指令刷新到内存
StoreLoad Barriers	Store1;StoreLoad;Load2	确保Store1数据对其他处理器变得可见（指刷新到内存）先于Load2及所有后续装载指令的装载。StoreLoad Barriers会使该屏障之前的所有内存访问指令（存储和装载指令）完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令