JAVA并發(fā)編程之驗(yàn)證volatile指令重排-理論篇

Java并發(fā)包下的類(lèi)中大量使用了volatile關(guān)鍵字。通過(guò)之前文章介紹，大家已經(jīng)知道了volatile的三大特性：共享變量可見(jiàn)性；不保證原子性；禁止指令重排后順序性。通過(guò)前面兩篇文章我們通過(guò)代碼驗(yàn)證了前兩個(gè)特性，本文我們就來(lái)驗(yàn)證禁止指令重排保證順序性。

指令重排序的生活例子

去餐廳吃飯預(yù)定位置的的時(shí)候。假設(shè)要去A餐廳吃飯，A餐廳有前臺(tái)B、服務(wù)員C以及老板D。如果就只有你一個(gè)人去吃飯的時(shí)候，你給前臺(tái)或者給服務(wù)器或者給老板說(shuō)一聲把2號(hào)桌預(yù)定了，半小時(shí)后過(guò)來(lái)。餐廳在為了2小時(shí)內(nèi)就你一個(gè)人去吃飯。那么OK，沒(méi)問(wèn)題，別說(shuō)等半個(gè)小時(shí)，就是等一個(gè)小時(shí)，2號(hào)桌還是你的。

但是，如果現(xiàn)在是吃飯高峰期，很多人來(lái)吃飯，你給前臺(tái)說(shuō)了，前臺(tái)忙著沒(méi)有及時(shí)給服務(wù)員或者沒(méi)有給老板說(shuō)，這個(gè)時(shí)候有個(gè)路人甲來(lái)吃飯，剛好看到2號(hào)桌沒(méi)人，老板或者服務(wù)員就讓他就坐2號(hào)桌吃飯了。那么，等你過(guò)來(lái)的時(shí)候，2號(hào)桌已經(jīng)有人了。這個(gè)時(shí)候?qū)τ谀銇?lái)說(shuō)，這個(gè)結(jié)果就不是你想要的了。

上面案例，如果從計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令角度來(lái)分析的話，你要到2號(hào)桌吃飯，這是預(yù)期結(jié)果。餐廳A就相當(dāng)于是處理器，前臺(tái)B就相當(dāng)于是編譯器，服務(wù)員C和老板D就是指令和內(nèi)存系統(tǒng)。如果你預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)不是吃飯高峰期或者沒(méi)有人去餐廳A吃飯。那么你就相當(dāng)于是一個(gè)線程。就是單線程的。老板、前臺(tái)、服務(wù)員怎么安排都可以。因?yàn)橹挥心阋粋€(gè)2號(hào)桌肯定是你的。這是單線程情況下。預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果就是一致的。

如果你預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)是吃飯高峰期，很多人來(lái)吃飯(很多線程)，這個(gè)時(shí)候?yàn)榱瞬蛷d效益，無(wú)論是前臺(tái)還是服務(wù)員或者是老板都會(huì)對(duì)你的位置進(jìn)行重排序。在你沒(méi)有來(lái)的時(shí)候，會(huì)安排其他人到你預(yù)定的位置吃飯。如果其他人在你的位置吃飯，這個(gè)時(shí)候你再來(lái)吃飯，那么實(shí)際結(jié)果和預(yù)期結(jié)果就不一樣了。這個(gè)時(shí)候餐廳應(yīng)該做出相應(yīng)的賠償。為了解決這種賠償問(wèn)題，老板就想到了一個(gè)方案。做個(gè)牌子放在客人預(yù)定的桌子上。

當(dāng)前臺(tái)或者是服務(wù)員或者是老板看到餐桌上放的這個(gè)牌子，就知道這個(gè)位置不能再調(diào)動(dòng)了。其中這個(gè)放在餐桌上的牌子就是特殊類(lèi)型的內(nèi)存屏障了。

示意圖如下：

再來(lái)舉個(gè)更常見(jiàn)的例子：

考試，在考試的時(shí)候老師會(huì)告訴我們，先做會(huì)做的，不會(huì)做的放到后面做。假設(shè)出題老師出題順序是1-5，但是考試會(huì)根據(jù)自己實(shí)際情況做題順序有可能是1、2、4、5、3或者是1、3、4、5、2等等。如果把出題老師看著是寫(xiě)代碼的程序員，題目的順序是代碼一行一行的順序，你的老師會(huì)告訴你先做會(huì)做的，此時(shí)老師就相當(dāng)于是編譯器，會(huì)排序一次。然后你自己做的時(shí)候又會(huì)進(jìn)行重新排序，你自己就相當(dāng)于是處理器又排序了一次。

上面兩個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的案例，我們弄明白后，再來(lái)看看在計(jì)算機(jī)中指令重排問(wèn)題，就很容易理解了。

指令重排

我們程序員編寫(xiě)的代碼在JVM執(zhí)行的時(shí)候，為了提高性能，編譯器和處理器都會(huì)對(duì)代碼編譯后的指令進(jìn)行重排序。分為3種：

1：編譯器優(yōu)化重排：

編譯器的優(yōu)化前提是在保證不改變單線程語(yǔ)義的情況下，對(duì)重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。

2：指令并行重排：

如果代碼中某些語(yǔ)句之間不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的順序

如：int x = 10;int y = 5；對(duì)于這種x y之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系的，機(jī)器指令就會(huì)進(jìn)行重新排序。但是對(duì)于：int x = 10; int y = 5; int z = x+y；這種的，因?yàn)閦和x y之間存在數(shù)據(jù)依賴(lài)(z=x+y)關(guān)系。在這種情況下，機(jī)器指令就不會(huì)把z排序在xy前面。

3：內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，我們知道了處理器和主內(nèi)存之間還存在一二三級(jí)緩存。這些讀寫(xiě)緩存的存在，使得程序的加載和存取操作，可能是亂序無(wú)章的。

指令重排序的流程圖

通過(guò)上面介紹，我們可以知道從程序員寫(xiě)的Java源碼到處理器真正實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)經(jīng)歷如下圖的過(guò)程：

執(zhí)行順序：

源碼編譯器優(yōu)化重排序(第一次排序) 指令重排序(第二次)內(nèi)存重排序(第三次) 最終指向的指令。

無(wú)論是第一次編譯器的重排序還是第二、三次的處理器重排序。這些重排序當(dāng)在多線程的場(chǎng)景下可能會(huì)出現(xiàn)線程可見(jiàn)性的問(wèn)題。

如在多線程的情況下，單例模式就不安全了。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，JMM允許編譯器在生成指令順序的時(shí)候，可以插入特定類(lèi)型的內(nèi)存屏障來(lái)禁止指令重排序。

當(dāng)一個(gè)變量使用volatile修飾的時(shí)候，volatile關(guān)鍵字就是內(nèi)存屏障。當(dāng)編譯器在生成指令順序的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了volatile,就直接忽略掉。不再重排序了。

示意圖：