什么是指令重排？

本是古典何须时尚 2024-03-22 17:45 21阅读 0赞

###  指令重排的目的  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">重排序是指 <code>编译器</code> 和 <code>处理器</code> 为了优化程序 <code>性能</code> 而对指令序列进行重新排序的一种手段</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

###  指令重排分类  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"></th> 
   <th align="left">分类</th> 
   <th align="left">解释</th> 
   <th align="left">如何禁止重排序</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><code>编译器</code>重排序</td> 
   <td align="left">编译器<code>优化</code>的重排序</td> 
   <td align="left">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</td> 
   <td align="left">JMM的编译器重排序规则会<code>禁止特定类型的编译器重排序</code>（不是所有的编译器重排序都要禁止）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><code>处理器</code>重排序</td> 
   <td align="left">指令级<code>并行</code>的重排序</td> 
   <td align="left">现代处理器采用了<code>指令级并行技术</code>（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令<code>重叠执行</code>。如果不存在 <a href="https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/130907281" rel="nofollow"><strong>数据依赖性</strong></a> ，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序</td> 
   <td align="left">JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的<code>内存屏障</code>（Memory Barriers，Intel称之为Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><code>处理器</code>重排序</td> 
   <td align="left"><code>内存</code>系统的重排序</td> 
   <td align="left">由于处理器使用<code>缓存和读/写缓冲区</code>，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行</td> 
   <td align="left">JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的<code>内存屏障</code>（Memory Barriers，Intel称之为Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

###  程序顺序规则  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">在计算机中，软件技术和硬件技术有一个共同的目标：在<code>不改变</code>程序执行结果的前提下，<code>尽可能</code>提高并行度。<code>编译器</code> 和 <code>处理器</code> 遵从这一目标，从happens-before的定义我们可以看出， <code>JMM</code> 同样遵从这一目标。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><strong>JMM对这两种不同性质的重排序，采取了不同的策略</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">对于<code>会改变</code>程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须<code>禁止</code>这种重排序。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">对于<code>不会改变</code>程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不做要求（JMM<code>允许</code>这种重排序）。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

###  重排序对多线程的影响  ###

class ReorderExample {
        
           int a = 0;
           boolean flag = false;
           public void writer() {
        
               a = 1;                  // 1
               flag = true;            // 2
           }
           Public void reader() {
        
               if (flag) {
                    // 3
                   int i =  a * a;     // 4
                   ……
               }
           }
    }

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"></th> 
   <th align="left">假设有两个线程A和B，A首先执行writer()方法，随后B线程接着执行reader()方法</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">由于操作1和操作2没有<code>数据依赖关系</code>，编译器和处理器可以对这两个操作重排序；</td> 
   <td align="left">操作1和操作2做了重排序。程序执行时，线程A首先写标记变量flag，随后线程B读这个变量。由于条件判断为真，线程B将读取变量a。此时，变量a还没有被线程A写入，在这里多线程程序的语义被重排序破坏了！</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">同样，操作3和操作4没有<code>数据依赖关系</code>，编译器和处理器也可以对这两个操作重排序。在程序中，操作3和操作4存在<a href="https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/130909225" rel="nofollow"><strong>控制依赖关系</strong></a></td> 
   <td align="left">重排序后，线程B先计算a*a，此时线程A还没读到a的值，所有后续赋值肯定是不准确的。重排序在这里破坏了多线程程序的语义！</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明

![在这里插入图片描述][475edd291cca40729a91087b25123f92.png_pic_center]

### 举例解释什么是指令重排？ ###

`Person person= new Person();` 这段代码其实是分为三步执行：

1.  为 *`person`* 分配内存空间
2.  初始化 *`person`*
3.  将 *`person`* 指向分配的内存地址

**我们理解的执行顺序应该为：**  
1(分配空间) → 2(初始化) → 3(指向分配的地址)

**由于 JVM 具有指令重排的特性，实际执行顺序有可能变成**  
1(分配空间) → 3(指向分配的地址) → 2(初始化)

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Java允许 `编译器` 和 `处理器` 对指令进行重排

*  指令重排在**单线程**环境下不会出现问题，因为都是自己在操作；
 *  但是在**多线程**环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。  
    例如，*`线程T1`* 执行了 1(分配空间) → 3(指向分配的地址)，此时 *`线程T2`* 调用 *`getPerson()`* 后发现 *`person`* 不为空，因此返回 *`person`*，但此时 *`person`* 还未被初始化，就引入了**脏数据**。

只要禁止 JVM 的指令重排，就能保证在多线程环境下也能正常运行。

[475edd291cca40729a91087b25123f92.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/c3296ac9813349faa7255cffb0f79209.png