JUC并发编程 -- 有序性(指令重排序优化 & 支持流水线的处理器 & 指令重排序的问题/验证/禁用)

Posted 2021-09-22 Z && Y

1. 有序性

JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，思考下面一段代码:

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; 
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是:

i = ...; 
j = ...;

也可以是:

j = ...;
i = ...;

这种特性称之为『指令重排』，多线程下『指令重排』会影响正确性。为什么要有重排指令这项优化呢？从 CPU执行指令的原理来理解一下吧

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2. 指令重排序优化

事实上，现代处理器会设计为一个时钟周期完成一条执行时间最长的 CPU 指令。为什么这么做呢？可以想到指令还可以再划分成一个个更小的阶段，例如，每条指令都可以分为： 取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 这 5 个阶段

在不改变程序结果的前提下，这些指令的各个阶段可以通过重排序和组合来实现指令级并行，这一技术在 80’s 中叶到 90’s 中叶占据了计算架构的重要地位。

提示：

分阶段，分工是提升效率的关键！

指令重排的前提是，重排指令不能影响结果，例如:

// 可以重排的例子
int a = 10; // 指令1
int b = 20; // 指令2
System.out.println( a + b );
// 不能重排的例子
int a = 10; // 指令1
int b = a - 5; // 指令2

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3. 支持流水线的处理器

现代 CPU 支持多级指令流水线，例如支持同时执行 取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 的处理器，就可以称之为五级指令流水线。这时 CPU 可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段（相当于一条执行时间最长的复杂指令），IPC = 1，本质上，流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但它变相地提高了指令地吞吐率。

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4. 指令重排序的问题/验证

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
 } else {
 r.r1 = 1;
 }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) { 
 num = 2;
 ready = true; 
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？有同学这么分析:

• 情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1

• 情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1

• 情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）

• 但我告诉你，结果还有可能是 0 😁😁😁，信不信吧！这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2，相信很多人已经晕了 😵😵😵

这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现：

测试结果:

可以看到，出现结果为 0 的情况有 1568 次，虽然次数相对很少，但毕竟是出现了。

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5. 指令重排序禁用–volatile

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排，使用这个变量之前的代码，可以保证指令顺序的正确性。

示例代码：

int num = 0;
volatile boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
 } else {
 r.r1 = 1;
 }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) { 
 num = 2;
 ready = true; 
}

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