Java中volatile防止指令重排
volatile可以防止指令重排,在多線程環(huán)境下有時候我們需要使用volatile來防止指令重排,來保證代碼運行后數(shù)據的準確性
什么是指令重排?
計算機在執(zhí)行程序時,為了提高性能,編譯器和處理器一般會進行指令重排,一般分為以下三種:
指令重排有以下三個特點:
1.單線程環(huán)境下指令重排后可以保證與順序執(zhí)行指令的結果一致(就是不進行指令重排的情況)
//原來的執(zhí)行順序 a=1; b=0; //進行指令重排后執(zhí)行 b=0; a=1;
這兩個順序執(zhí)行的指令結果都是a=1,b=0
2.進行指令重排的時候要考慮指令之間的數(shù)據依賴性(某個指令的數(shù)據需要根據另一個指令的數(shù)據獲得)
//原來的執(zhí)行順序 a=0; //指令1 a=10; //指令2 b=a+1; //指令3 //進行指令重排后 a=0; b=a+1; a=10;
此時兩種順序輸出的結果就不一樣了,這是因為指令3的數(shù)據依賴于指令2,單線程環(huán)境下指令重排不會出現(xiàn)這種情況。
3.多線程環(huán)境下,多個線程交替執(zhí)行,由于編譯器會進行指令重排,結果無法預測。
為什么指令重排能夠提高性能
串行的代碼確實會按代碼語意正確的執(zhí)行(就是編寫的代碼的運行邏輯),但是編譯器對于代碼本身的優(yōu)化卻并不一定會按實際的代碼一步一步的執(zhí)行,就比如下面這段代碼
public void process() { int a = 10; #指令1 int b = 20; #指令2 }
代碼的執(zhí)行過程一定是是int a=10然后int b=20,但是代碼轉換成計算機可以識別的指令可能是指令2,指令1。
我們知道指令的執(zhí)行可以分為這幾步:
- 取址 IF
- 譯碼和取寄存器操作數(shù) ID
- 執(zhí)行或者有效地址計算 EX (ALU邏輯計算單元)
- 存儲器訪問 MEM
- 寫回 WB (寄存器)
一段代碼并不是由單條指令就可以執(zhí)行完畢的,而是通過流水線技術來執(zhí)行多條指令。
流水線技術是一種將指令分解為多步,并讓不同指令的各步操作重疊,從而實現(xiàn)幾條指令并行處理,這樣就提高了指令的執(zhí)行速度
簡單來說就是通過指令重排,可以使用流水線技術實現(xiàn)指令的細分,然后實現(xiàn)幾條指令的并行處理,從而提高速度
volatile是怎么禁止指令重排的?
這就涉及到一個概念內存屏障(內存柵欄),它是一個cpu指令,有兩個作用:
- 保證某些特定操作的執(zhí)行順序
- 保證某些變量的內存可見性(實現(xiàn)了volatile保證可見性)
編譯器和處理器都可以進行指令重排,那么如果我們在程序中插入一條Memery Barrier(內存屏障),那么就會告訴編譯器和cpu不能對這條指令進行重排,也就是說通過插入內存屏障,使屏障前后的指令不會進行重排優(yōu)化,內存屏障還可以強制刷出cpu的緩存,因此cpu上的線程都能讀到這些數(shù)據的最新版本。
簡單來說就是插入內存屏障后告訴cpu和編譯器,這個內存屏障前后的指令你不要給我進行重排序
內存屏障分為四種:
StoreStore屏障、StoreLoad屏障、LoadLoad屏障、LoadStore屏障。
- Load相當于讀屏障
- Store相當于寫屏障
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