JVM 中的指令重排

1 指令重排的定义与意义

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在计算机执行指令的顺序在经过程序编译器编译之后形成的指令序列，一般而言，这个指令序列是会输出确定的结果；以确保每一次的执行都有确定的结果。但是，一般情况下，CPU和编译器为了提升程序执行的效率，会按照一定的规则允许进行指令优化，在某些情况下，这种优化会带来一些执行的逻辑问题，主要的原因是代码逻辑之间是存在一定的先后顺序，在并发执行情况下，会发生二义性，即按照不同的执行逻辑，会得到不同的结果信息。

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2 指令重排的条件

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1. 在单线程环境下不能改变程序运行的结果；
2. 存在数据依赖关系的不允许重排序

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3 数据依赖

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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。

分为下面三种情况：

上面三种情况，只要重排序两个操作的执行顺序，程序的执行结果将会被改变。

• 所以有数据依赖性的语句不能进行重排序。

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4 as-if-serial

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as-if-serial 语义的意思指：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 语义。

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，这些操作可能被编译器和处理器重排序。

注意as-if-serial只保证单线程环境，多线程环境下无效。

int a = 1 ;      //A
int b = 2 ;      //B
int c = a + b;  //C

A、B、C三个操作存在如下关系：A、B不存在数据依赖关系，A和C、B和C存在数据依赖关系，因此在进行重排序的时候，A、B可以随意排序，但是必须位于C的前面，执行顺序可以是A –> B –> C或者B –> A –> C。但是无论是何种执行顺序最终的结果C总是等于3。

as-if-serail语义把单线程程序保护起来了，它可以保证在重排序的前提下程序的最终结果始终都是一致的。

下面我们在看一段有意思的代码：

按照重排序的规则，操作A与操作B有可能会进行重排序，如果重排序了，B会抛出异常（ / by zero），此时A语句一定会执行不到，那么a还会等于3么？如果按照as-if-serial原则它就改变了程序的结果。

其实JVM对异常做了一种特殊的处理，为了保证as-if-serial语义，Java异常处理机制对重排序做了一种特殊的处理：JIT在重排序时会在catch语句中插入错误代偿代码（a = 3）,这样做虽然会导致cathc里面的逻辑变得复杂，但是JIT优化原则是：尽可能地优化程序正常运行下的逻辑，哪怕以catch块逻辑变得复杂为代价。

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5 指令重排对多线程的影响

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在单线程环境下由于as-if-serial语义，重排序无法影响最终的结果，但是对于多线程环境呢？

如下代码（volatile的经典用法）：

public class RecordExample2 {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    /**
    * A线程执行
    */
    public void writer(){
        a = 1;                  // 1
        flag = true;            // 2
    }

    /**
    * B线程执行
    */
    public void read(){
        if(flag){                  // 3
          int i = a + a;          // 4
        }
    }
}

A线程执行writer()，线程B执行read()，线程B在执行时能否读到 a = 1 呢？答案是不一定（注：X86CPU不支持写写重排序，如果是在x86上面操作，这个一定会是a=1,LZ搞了好久都没有测试出来，最后查资料才发现）。

由于操作1 和操作2 之间没有数据依赖性，所以可以进行重排序处理，操作3 和操作4 之间也没有数据依赖性，他们亦可以进行重排序，但是操作3 和操作4 之间存在控制依赖性。假如操作1 和操作2 之间重排序：

按照这种执行顺序线程B肯定读不到线程A设置的a值，在这里多线程的语义就已经被重排序破坏了。

操作3 和操作4 之间也可以重排序，这里就不阐述了。但是他们之间存在一个控制依赖的关系，因为只有操作3 成立操作4 才会执行。当代码中存在控制依赖性时，会影响指令序列的执行的并行度，所以编译器和处理器会采用猜测执行来克服控制依赖对并行度的影响。假如操作3 和操作4重排序了，操作4 先执行，则先会把计算结果临时保存到重排序缓冲中，当操作3 为真时才会将计算结果写入变量i中

通过上面的分析，重排序不会影响单线程环境的执行结果，但是会破坏多线程的执行语义。

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6 参考资料

2、Java中的重排序和 volatile 关键字
https://www.jianshu.com/p/b4d4506d3585

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