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Java volatile如何實(shí)現(xiàn)禁止指令重排

更新時(shí)間：2020年11月04日 11:16:51 作者：柒

這篇文章主要介紹了Java volatile如何實(shí)現(xiàn)禁止指令重排,文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令重排，一般分為以下三種：

源代碼 -> 編譯器優(yōu)化的重排 -> 指令并行的重排 -> 內(nèi)存系統(tǒng)的重排 -> 最終執(zhí)行指令

單線程環(huán)境里面確保最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序的結(jié)果一致

處理器在進(jìn)行重排序時(shí)，必須要考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性

多線程環(huán)境中線程交替執(zhí)行，由于編譯器優(yōu)化重排的存在，兩個(gè)線程中使用的變量能否保證一致性是無(wú)法確定的，結(jié)果無(wú)法預(yù)測(cè)。

指令重排 - example 1

public void mySort() {
	int x = 11;
	int y = 12;
	x = x + 5;
	y = x * x;
}

按照正常單線程環(huán)境，執(zhí)行順序是 1 2 3 4

但是在多線程環(huán)境下，可能出現(xiàn)以下的順序：

2 1 3 4

1 3 2 4

上述的過(guò)程就可以當(dāng)做是指令的重排，即內(nèi)部執(zhí)行順序，和我們的代碼順序不一樣

但是指令重排也是有限制的，即不會(huì)出現(xiàn)下面的順序

4 3 2 1

因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排時(shí)候，必須考慮到指令之間的數(shù)據(jù)依賴性

因?yàn)椴襟E 4：需要依賴于 y的申明，以及x的申明，故因?yàn)榇嬖跀?shù)據(jù)依賴，無(wú)法首先執(zhí)行

例子

int a,b,x,y = 0

線程1	線程2
x = a;	y = b;
b = 1;	a = 2;

x = 0; y = 0

因?yàn)樯厦娴拇a，不存在數(shù)據(jù)的依賴性，因此編譯器可能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重排

線程1	線程2
b = 1;	a = 2;
x = a;	y = b;

x = 2; y = 1

這樣造成的結(jié)果，和最開(kāi)始的就不一致了，這就是導(dǎo)致重排后，結(jié)果和最開(kāi)始的不一樣，因此為了防止這種結(jié)果出現(xiàn)，volatile就規(guī)定禁止指令重排，為了保證數(shù)據(jù)的一致性

指令重排 - example 2

比如下面這段代碼

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，分別調(diào)用method01() 和 method02() 那么，最終輸出就是 a = 6

但是如果在多線程環(huán)境下，因?yàn)榉椒? 和方法2，他們之間不能存在數(shù)據(jù)依賴的問(wèn)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(jīng)過(guò)編譯器，指令，或者內(nèi)存的重排后，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況

flag = true;

a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);

a = 1;

也就是先執(zhí)行 flag = true后，另外一個(gè)線程馬上調(diào)用方法2，滿足 flag的判斷，最終讓a + 5，結(jié)果為5，這樣同樣出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題

為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果：多線程環(huán)境中線程交替執(zhí)行，由于編譯器優(yōu)化重排的存在，兩個(gè)線程中使用的變量能否保證一致性是無(wú)法確定的，結(jié)果無(wú)法預(yù)測(cè)。

這樣就需要通過(guò)volatile來(lái)修飾，來(lái)保證線程安全性

Volatile針對(duì)指令重排做了啥

Volatile實(shí)現(xiàn)禁止指令重排優(yōu)化，從而避免了多線程環(huán)境下程序出現(xiàn)亂序執(zhí)行的現(xiàn)象

首先了解一個(gè)概念，內(nèi)存屏障（Memory Barrier）又稱內(nèi)存柵欄，是一個(gè)CPU指令，它的作用有兩個(gè)：

保證特定操作的順序保證某些變量的內(nèi)存可見(jiàn)性（利用該特性實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存可見(jiàn)性）

由于編譯器和處理器都能執(zhí)行指令重排的優(yōu)化，如果在指令鍵插入一條Memory Barrier則會(huì)告訴編譯器和CPU,不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序，也就是說(shuō)，通過(guò)插入內(nèi)存屏障前后的指令執(zhí)行重排序優(yōu)化。內(nèi)存屏障另外一個(gè)作用是刷新出各種CPU的緩存數(shù)，因此任何cpu上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本