JVM 指令重排

1 概念

指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序员带来问题。

不同的指令间可能存在数据依赖。比如下面计算圆的面积的语句：

double r = 2.3d;//(1)

double pi =3.1415926; //(2)

double area = pi* r * r; //(3)

area的计算依赖于r与pi两个变量的赋值指令。而r与pi无依赖关系。

as-if-serial语义是指：不管如何重排序（编译器与处理器为了提高并行度），（单线程）程序的结果不能被改变。这是编译器、Runtime、处理器必须遵守的语义。

虽然，（1） - happensbefore -> （2）,（2） - happens before -> （3），但是计算顺序(1)(2)(3)与(2)(1)(3) 对于r、pi、area变量的结果并无区别。编译器、Runtime在优化时可以根据情况重排序（1）与（2），而丝毫不影响程序的结果。

指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。

2 指令重排带来的问题

如果一个操作不是原子的，就会给JVM留下重排的机会。下面看几个例子：

例子1：A线程指令重排导致B线程出错

对于在同一个线程内，这样的改变是不会对逻辑产生影响的，但是在多线程的情况下指令重排序会带来问题。看下面这个情景:

在线程A中:

context = loadContext();

inited = true;

 

在线程B中:

while(!inited ){ //根据线程A中对inited变量的修改决定是否使用context变量

   sleep(100);

}

doSomethingwithconfig(context);

 

假设线程A中发生了指令重排序:

inited = true;

context = loadContext();

 

那么B中很可能就会拿到一个尚未初始化或尚未初始化完成的context,从而引发程序错误。

 

例子2：指令重排导致单例模式失效

我们都知道一个经典的懒加载方式的双重判断单例模式：

public class Singleton {

  private static Singleton instance = null;

  private Singleton() { }

  public static Singleton getInstance() {

     if(instance == null) {

        synchronzied(Singleton.class) {

           if(instance == null) {

               instance = new Singleton();  //非原子操作

           }

        }

     }

     return instance;

   }

}

 

看似简单的一段赋值语句：instance= new Singleton()，但是它并不是一个原子操作，其实际上可以抽象为下面几条JVM指令：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 

ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 

instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 

 

上面操作2依赖于操作1，但是操作3并不依赖于操作2，所以JVM是可以针对它们进行指令的优化重排序的，经过重排序后如下：

memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 

instance =memory;     //3：instance指向刚分配的内存地址，此时对象还未初始化

ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

 

可以看到指令重排之后，instance指向分配好的内存放在了前面，而这段内存的初始化被排在了后面。

在线程A执行这段赋值语句，在初始化分配对象之前就已经将其赋值给instance引用，恰好另一个线程进入方法判断instance引用不为null，然后就将其返回使用，导致出错。

3 防止指令重排

除了前面内存可见性中讲到的volatile关键字可以保证变量修改的可见性之外，还有另一个重要的作用：在JDK1.5之后，可以使用volatile变量禁止指令重排序。

        

解决方案：例子1中的inited和例子2中的instance以关键字volatile修饰之后，就会阻止JVM对其相关代码进行指令重排，这样就能够按照既定的顺序指执行。

 

volatile关键字通过提供“内存屏障”的方式来防止指令被重排序，为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

大多数的处理器都支持内存屏障的指令。

对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能，为此，Java内存模型采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。

在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

相关链接：http://tech.meituan.com/java-memory-reordering.html