Java volatile如何實現禁止指令重排
計算機在執行程式時,為了提高效能,編譯器和處理器常常會對指令重排,一般分為以下三種:
原始碼 -> 編譯器優化的重排 -> 指令並行的重排 -> 記憶體系統的重排 -> 最終執行指令
單執行緒環境裡面確保最終執行結果和程式碼順序的結果一致
處理器在進行重排序時,必須要考慮指令之間的資料依賴性
多執行緒環境中執行緒交替執行,由於編譯器優化重排的存在,兩個執行緒中使用的變數能否保證一致性是無法確定的,結果無法預測。
指令重排 - example 1
public void mySort() { int x = 11; int y = 12; x = x + 5; y = x * x; }
按照正常單執行緒環境,執行順序是 1 2 3 4
但是在多執行緒環境下,可能出現以下的順序:
2 1 3 4
1 3 2 4
上述的過程就可以當做是指令的重排,即內部執行順序,和我們的程式碼順序不一樣
但是指令重排也是有限制的,即不會出現下面的順序
4 3 2 1
因為處理器在進行重排時候,必須考慮到指令之間的資料依賴性
因為步驟 4:需要依賴於 y的申明,以及x的申明,故因為存在資料依賴,無法首先執行
例子
int a,b,x,y = 0
執行緒1 | 執行緒2 |
---|---|
x = a; | y = b; |
b = 1; | a = 2; |
x = 0; y = 0 |
因為上面的程式碼,不存在資料的依賴性,因此編譯器可能對資料進行重排
執行緒1 | 執行緒2 |
---|---|
b = 1; | a = 2; |
x = a; | y = b; |
x = 2; y = 1 |
這樣造成的結果,和最開始的就不一致了,這就是導致重排後,結果和最開始的不一樣,因此為了防止這種結果出現,volatile就規定禁止指令重排,為了保證資料的一致性
指令重排 - example 2
比如下面這段程式碼
public class ResortSeqDemo { int a= 0; boolean flag = false; public void method01() { a = 1; flag = true; } public void method02() { if(flag) { a = a + 5; System.out.println("reValue:" + a); } } }
我們按照正常的順序,分別呼叫method01() 和 method02() 那麼,最終輸出就是 a = 6
但是如果在多執行緒環境下,因為方法1 和 方法2,他們之間不能存在資料依賴的問題,因此原先的順序可能是
a = 1;
flag = true;a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);
但是在經過編譯器,指令,或者記憶體的重排後,可能會出現這樣的情況
flag = true;
a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);a = 1;
也就是先執行 flag = true後,另外一個執行緒馬上呼叫方法2,滿足 flag的判斷,最終讓a + 5,結果為5,這樣同樣出現了資料不一致的問題
為什麼會出現這個結果:多執行緒環境中執行緒交替執行,由於編譯器優化重排的存在,兩個執行緒中使用的變數能否保證一致性是無法確定的,結果無法預測。
這樣就需要通過volatile來修飾,來保證執行緒安全性
Volatile針對指令重排做了啥
Volatile實現禁止指令重排優化,從而避免了多執行緒環境下程式出現亂序執行的現象
首先了解一個概念,記憶體屏障(Memory Barrier)又稱記憶體柵欄,是一個CPU指令,它的作用有兩個:
保證特定操作的順序保證某些變數的記憶體可見性(利用該特性實現volatile的記憶體可見性)
由於編譯器和處理器都能執行指令重排的優化,如果在指令鍵插入一條Memory Barrier則會告訴編譯器和CPU,不管什麼指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序,也就是說,通過插入記憶體屏障前後的指令執行重排序優化。記憶體屏障另外一個作用是刷新出各種CPU的快取數,因此任何cpu上的執行緒都能讀取到這些資料的最新版本
也就是在Volatile的寫和讀的時候,加入屏障,防止出現指令重排執行緒安全得到保證
工作記憶體與主記憶體同步延遲現象導致的可見性問題
- 可以使用synchronized或volatile關鍵字解決,它們都可以使得一個執行緒修改後的變數立即對其他執行緒可見。
- 對於指令重排導致的可見性問題和有序性問題
- 可以利用volatile關鍵字解決,因為volatile的另一個作用就是禁止重排序優化。
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