一个 println 竟然比 volatile 还好使？

素颜马尾好姑娘i 2022-10-05 11:56 167阅读 0赞

前两天一个小伙伴突然找我求助，说准备换个坑，最近在系统学习多线程知识，但遇到了一个刷新认知的问题……

> 小伙伴：Effective JAVA 里的并发章节里，有一段关于可见性的描述。下面这段代码会出现死循环，这个我能理解，JMM 内存模型嘛，JMM 不保证 stopRequested 的修改能被及时的观测到。

static boolean stopRequested = false;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested) {
                i++;
            }
        }) ;
        backgroundThread.start();
        TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
        stopRequested = true ;
    }
    复制代码

> 但奇怪的是在我加了一行打印之后，就不会出现死循环了！难道我一行 println 能比 volatile 还好使啊？这俩也没关系啊

static boolean stopRequested = false;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested) {
                
                
             System.out.println(i++);
            }
        }) ;
        backgroundThread.start();
        TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
        stopRequested = true ;
    }
    复制代码

> 我：小伙子八股文背的挺熟啊，JMM 张口就来。

> 我：这个…… 其实是 JIT 干的好事，导致你的循环无法退出。JMM 只是一个逻辑上的内存模型，内部有些机制是和 JIT 有关的

> 比如你第一个例子里，你用`-Xint`禁用 JIT，就可以退出死循环了，不信你试试？

> 小伙伴：卧槽，真的可以，加上 -Xint 循环就退出了，好神奇！JIT 是个啥啊？还能有这种功效？

![97102ea3e803671e63fd302efe05e3b1.png][]

## JIT（Just-in-Time） 的优化 ##

众所周知，JAVA 为了实现跨平台，增加了一层 JVM，不同平台的 JVM 负责解释执行字节码文件。虽然有一层解释会影响效率，但好处是跨平台，字节码文件是平台无关的。![9b850369c0312283b307bd9cb13eb9e4.png][]在 JAVA 1.2 之后，增加了 **即时编译（Just-in-Time Compilation，简称 JIT）** 的机制，在运行时可以将执行次数较多的热点代码编译为机器码，这样就不需要 JVM 再解释一遍了，可以直接执行，增加运行效率。![f9a390d27ea3a6e7c8085668063d1952.png][]

**但 JIT 编译器在编译字节码时，可不仅仅是简单的直接将字节码翻译成机器码**，它在编译的同时还会做很多优化，比如循环展开、方法内联等等……

这个问题出现的原因，就是因为 JIT 编译器的优化技术之一 - **表达式提升（expression hoisting）** 导致的。

### 表达式提升（expression hoisting） ###

先来看个例子，在这个 `hoisting` 方法中，for 循环里每次都会定义一个变量 `y`，然后通过将 x\*y 的结果存储在一个 result 变量中，然后使用这个变量进行各种操作

public void hoisting(int x) {
     for (int i = 0; i < 1000; i = i + 1) {
      
      int y = 654;
      int result = x * y;
      
      
     }
    }
    复制代码

但是这个例子里，result 的结果是固定的，并不会跟着循环而更新。所以完全可以将 result 的计算提取到循环之外，这样就不用每次计算了。JIT 分析后会对这段代码进行优化，进行表达式提升的操作：

public void hoisting(int x) {
     int y = 654;
     int result = x * y;
        
     for (int i = 0; i < 1000; i = i + 1) { 
      
     }
    }
    复制代码

这样一来，result 不用每次计算了，而且也完全不影响执行结果，大大提升了执行效率。

注意，编译器更喜欢局部变量，而不是静态变量或者成员变量；因为静态变量是 “逃逸在外的”，多个线程都可以访问到，而局部变量是线程私有的，不会被其他线程访问和修改。

编译器在处理静态变量 / 成员变量时，会比较保守，不会轻易优化。

像你问题里的这个例子中，`stopRequested`就是个静态变量，编译器本不应该对其进行优化处理；

static boolean stopRequested = false;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
        Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
            int i = 0;
            while (!stopRequested) {
       
                i++;
            }
        }) ;
        backgroundThread.start();
        TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
        stopRequested = true ;
    }
    复制代码

但由于你这个循环是个 `leaf method`，即没有调用任何方法，所以在循环之中不会有其他线程会观测到`stopRequested`值的变化。那么编译器就冒进的进行了**表达式提升**的操作，将`stopRequested`提升到表达式之外，作为循环不变量（loop invariant）处理：

int i = 0;
    
    boolean hoistedStopRequested = stopRequested;
    while (!hoistedStopRequested) {    
     i++;
    }
    复制代码

这样一来，最后将 `stopRequested`赋值为 true 的操作，影响不了提升的`hoistedStopRequested`的值，自然就无法影响循环的执行了，最终导致无法退出。

至于你增加了 `println` 之后，循环就可以退出的问题。是因为你这行 println 代码影响了编译器的优化。**println 方法由于最终会调用 FileOutputStream.writeBytes 这个 native 方法，所以无法被内联优化（inling）**。而未被内敛的方法调用从编译器的角度看是一个 “full memory kill”，也就是说 **副作用不明** 、必须对内存的读写操作做**保守处理**。

在这个例子里，下一轮循环的 `stopRequested` 读取操作按顺序要发生在上一轮循环的 println 之后。这里 “保守处理” 为：就算上一轮我已经读取了 `stopRequested` 的值，由于经过了一个**副作用不明**的地方，再到下一次访问就必须重新读取了。

所以在你增加了 prinltln 之后，JIT 由于要保守处理，重新读取，自然就不能做上面的**表达式提升**优化了。

以上对**表达式提升**的解释，总结摘抄自 **R 大**的知乎回答。R 大，行走的 JVM Wiki！

> 我：“这下明白了吧，这都是 JIT 干的好事，你要是禁用 JIT 就没这问题了”

> 小伙伴：“卧槽????????，一个简单的 for 循环也太多机制了，没想到 JIT 这么智能，也没想到 R 大这么????????”

> 小伙伴：“那 JIT 一定很多优化机制吧，除了这个表达式提升还有啥？”

> 我：我也不是搞编译器的…… 哪了解这么多，就知道一些常用的，简单给你说说吧

### 表达式下沉（expression sinking） ###

和表达式提升类似的，还有个表达式下沉的优化，比如下面这段代码：

public void sinking(int i) {
     int result = 543 * i;
    
     if (i % 2 == 0) {
      
     } else {
      
     }
    }
    复制代码

由于在 else 分支里，并没有使用 result 的值，可每次不管什么分支都会先计算 result，这就没必要了。JIT 会把 result 的计算表达式移动到 if 分支里，这样就避免了每次对 result 的计算，这个操作就叫表达式下沉：

public void sinking(int i) {
     if (i % 2 == 0) {
      int result = 543 * i;
      
     } else {
      
     }
    }
    复制代码

## JIT 还有那些常见优化？ ##

除了上面介绍的表达式提升 / 表达式下沉以外，还有一些常见的编译器优化机制。

### 循环展开（Loop unwinding/loop unrolling） ###

下面这个 for 循环，一共要循环 10w 次，每次都需要检查条件。

for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        delete(i);
    }
    复制代码

在编译器的优化后，会删除一定的循环次数，从而降低索引递增和条件检查操作而引起的开销：

for (int i = 0; i < 20000; i+=5) {
        delete(i);
        delete(i + 1);
        delete(i + 2);
        delete(i + 3);
        delete(i + 4);
    }
    复制代码

除了循环展开，循环还有一些优化机制，比如循环剥离、循环交换、循环分裂、循环合并……

### 内联优化（Inling） ###

JVM 的方法调用是个栈的模型，每次方法调用都需要一个压栈（push）和出栈（pop）的操作，编译器也会对调用模型进行优化，将一些方法的调用进行内联。

内联就是抽取要调用的方法体代码，到当前方法中直接执行，这样就可以避免一次压栈出栈的操作，提升执行效率。比如下面这个方法：

public  void inline(){
     int a = 5;
        int b = 10;
        int c = calculate(a, b);
        
        
    }
    
    public int calculate(int a, int b){
     return a + b;
    }
    复制代码

在编译器内联优化后，会将 `calculate` 的方法体抽取到 `inline` 方法中，直接执行，而不用进行方法调用：

public  void inline(){
     int a = 5;
        int b = 10;
        int c = a + b;
        
        
    }
    复制代码

不过这个内联优化是有一些限制的，**比如 native 的方法就不能内联优化**

### 提前置空 ###

来先看一个例子，在这个例子中 `was finalized!` 会在 `done.`之前输出，这个也是因为 JIT 的优化导致的。

class A {
        
        @Override protected void finalize() {
            System.out.println(this + " was finalized!");
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            A a = new A();
            System.out.println("Created " + a);
            for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
                if (i % 1_000_00 == 0)
                    System.gc();
            }
            System.out.println("done.");
        }
    }
    
    
    Created A@1be6f5c3
    A@1be6f5c3 was finalized!
    done.
    复制代码

从例子中可以看到，如果 `a` 在循环完成后已经不再使用了，则会出现先执行 finalize 的情况；虽然从对象作用域来说，方法没有执行完，栈帧并没有出栈，但是还是会被提前执行。

这就是因为 JIT 认为 `a` 对象在循环内和循环后都不会在使用，所以提前给它置空了，帮助 GC 回收；如果禁用 JIT，那就不会出现这个问题……

这个提前回收的机制，还是有点风险的，在某些场景下会引起 BUG，比如《一个 JDK 线程池 BUG 引发的 GC 机制思考》

## HotSpot VM JIT 的各种优化项 ##

上面只是介绍了几个简单常用的编译优化机制，JVM JIT 更多的优化机制可以参考下面这个图。这是 OpenJDK 文档中提供的一个 pdf 材料，里面列出了 HotSpot JVM 的各种优化机制，相当多……![3ac20f3124e7b6d397841b33c004f8df.png][]

## 如何避免因 JIT 导致的问题？ ##

> 小伙伴：“JIT 这么多优化机制，很容易出问题啊，我平时写代码要怎么避开这些呢”

平时在编码的时候，不用刻意的去关心 JIT 的优化，就比如上面那个 println 问题，JMM 本来就不保证修改对其他线程可见，如果按照规范去加锁或者用 volatile 修饰，根本就不会有这种问题。

而那个提前置空导致的问题，出现的几率也很低，只要你规范写代码基本不会遇到的。

> 我：所以，这不是 JIT 的锅，是你的……

> 小伙伴：“懂了，你这是说我菜，说我代码写的屎啊……”

## 总结 ##

在日常编码过程中，不用刻意的猜测 JIT 的优化机制，JVM 也不会完整的告诉你所有的优化。而且这种东西不同版本效果不一样，就算搞明白了一个机制，可能到下个版本就完全不一样了。

所以，如果不是搞编译器开发的话，JIT 相关的编译知识，作为一个知识储备就好。

**也不用去猜测 JIT 到底会怎么优化你的代码，你（可能）猜不准……**

## 参考 ##

*  JSR-133 Java Memory Model and Thread Specification 1.0 Proposed Final Draft
 *  Oracle JVM Just-in-Time Compiler (JIT)
 *  JVM JIT-compiler overview - Vladimir Ivanov HotSpot JVM Compiler Oracle Corp.
 *  JVM JIT optimization techniques - part 2
 *  The Java platform - WikiBook
 *  R 大的知乎百科

[97102ea3e803671e63fd302efe05e3b1.png]: /images/20221005/393d9485dbee48eea5e03fc5e144d482.png
[9b850369c0312283b307bd9cb13eb9e4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/9b850369c0312283b307bd9cb13eb9e4.png
[f9a390d27ea3a6e7c8085668063d1952.png]: /images/20221005/b023f0bb86a343999debc36ba19ad960.png
[3ac20f3124e7b6d397841b33c004f8df.png]: /images/20221005/89e7ae88f36c443d8c15cd798e6427dd.png