指令重排序和内存屏障

1. 指令重排序

　　指令重排序分为三种，分别为编译器优化重排序、指令级并行重排序、内存系统重排序。如图所示，后面两种为处理器级别（即为硬件层面）。

• 编译器优化重排序：编译器在不改变程序执行结果的情况下，为了提升效率，对指令进行乱序的编译。例如在代码中A操作需要获取其他资源而进入等待的状态，而A操作后面的代码跟其没有依赖关系，如果编译器一直等待A操作完成再往下执行的话效率要慢的多，所以可以先编译后面的代码，这样的乱序可以提升不小的编译速度。
• 指令级并行重排序：处理器在不影响程序执行结果的情况下，将多条指令重叠在一起执行，同样也是为了提升效率。
• 内存系统重排序：这个跟之前两个不同的是，其为伪重排序，也就是说只是看起来像在乱序执行而已。对于现代的处理器来说，在CPU和主内存之间都具备一个高速缓存，高速缓存的作用主要为减少CPU和主内存的交互（CPU的处理速度要快的多），在CPU进行读操作时，如果缓存没有的话从主内存取，而对于写操作都是先写在缓存中，最后再一次性写入主内存，原因是减少跟主内存交互时CPU的短暂卡顿，从而提升性能，但是延时写入可能会导致一个问题——数据不一致。

  // CPU1执行以下操作
  a = 1;
  int i = b;
  
  // CPU2执行下面操作
  b = 1;
  int j = a;
  
  其执行图如下：

      

   

   　　从上面图中我们可以看到，对于CPU来说，先将a = 1写入缓存在读取变量b，过后在写入a到主内存，而这个操作从表面上看就变成了先读取变量b，在写入a到主内存，也就是发生了重排序，所以才说这为伪重排序。

       而从上面我们也可以看出，由于CPU1和2写入的时机不同，最终可能导致读到的(a,b)变量有四种情况，分别是(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)。例如，在两个缓存未写入主内存的时候就进行变量读取，这时候读到的就为(0,0)，其他情况类推。所以Java在实现内存模型的时候会禁止特定类型的重排序。

 

 　　as-if-serial语义：这是重排序都需要遵循的规则，其大致意思就是在单线程中，只要不改变程序的最终执行结果，那么为了提升性能可以改变指令执行的顺序。

2. 内存屏障

　　在编译器方面使用volatile关键字可以禁止指令重排序，而在硬件方面实现禁止指令重排序的则是内存屏障。其中包括硬件层本来就有的LoadBarriers和StoreBarriers 和JVM封装实现的四种内存屏障。

2.1 从硬件层上

　　　　内存屏障分为两种，LoadBarriers和StoreBarriers。

• • LoadBarriers：在执行屏障后一个操作前，保证已经刷新了缓存的数据，也就是说使缓存失效，强制从内存刷新数据到缓存中。
    

    i = a;
    LoadBarriers;
    // ..其他操作

    如上伪代码中，在执行其他操作之前必须保证a的变量从主内存中读取并且刷新到缓存中。

  • StoreBarriers：此屏障之前的写入缓存中的数据同步到内存中，并且保证其他线程可见。

    a = 1;
    b = 2;
    c = 3;
    StoreBarriers;
    // ..其他操作

    如上伪代码中，保证在其他操作之前，写入缓存中的a,b,c三个变量同步到主内存中，并且其他线程可以观察到变量的变化。

2.2 JVM实现的内存屏障

1. LoadLoad：对于Load1；LoadLoad；Load2这样的情况，保证Load1先于Load2及之后的Load操作，且对其可见。例如：

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

   在这段代码中，在int j = b以及后面的Load操作中，都能见到int i = a的操作，也就是int i = a先于后面的读取操作。即，禁止int i = a和之后的读操作重排序。

2. LoadStore：对于Load1；LoadStore；Store1来说，保证Load1操作先于Store1以及后面的Store操作，即对后Store操作可见。如：

   int i = a;
   LoadStore
   b = 1;
   
   // int i = a对于b = 1及之后的store操作均可见。

3. StoreLoad：同上，Store1；StoreLoad；Load1情况来说，保证Store1操作先于后续的所有Load操作，并且其Store的变量操作对其他处理器可见。由于Store操作会立即刷新到内存并对其他处理器缓存可见的特性，其具备其他三个屏障的功能，但是相对的，其花费的开销较大。
4. StoreStore：在Store1；StoreStore；Store2情况中，保证Store1操作先于Store2操作，即在Store1后续的Store操作之前，Store1操作保证刷新到内存并且对其他处理器可见。

2.3 volatile的禁止指令重排序

　　　　我们都知道volatile关键字有两个语义：

• • 保证内存可见性
  • 禁止指令重排序

　　　　其中JVM对其禁止指令重排序在硬件层面的实现就是通过在volatile修饰的变量前后插入内存屏障。volatile变量的内存屏障规则如下：

　　在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障；
　　在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障；

　　　　而在编译器方面则是因为对于volatile变量内存中的六种操作会有特殊的规则，可以看看我的另一篇文章——浅谈内存模型，里面介绍了volatile两种语义的原理，同时也说明了volatile关键字没有原子性的原因。

 

 

 文章若有不正之处，还望指出，在此多谢！