JVM学习之路(六)——指令重排序

本文通过一个典型的多线程示例,介绍了在Java程序执行过程中可能出现的指令重排序现象,并探讨了其背后的原理及JMM如何确保程序的一致性。文章还讲解了编译器、CPU在不同阶段对代码进行重排序的规则。

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JVM学习之路(一)——java程序执行流程

JVM学习之路(二)——JVM的内部结构

JVM学习之路(三)——JVM内部结构详细介绍及其相互作用

JVM学习之路(四)——内存模型(java多线程通信)

JVM学习之路(五)——如何保证可见性

六、指令重排序

根据以往学习多线程的经验,往往就会碰到这样一些例子:明明代码是按照想要的逻辑写的,但是一旦程序执行完后,就出现了一些意想不到的情况,那时只知道是多线程运行的时候出现了问题,具体怎么回事也没搞清楚过。在学习JVM的时候才发现导致这种问题的原因——指令重排序。

一、指令重排序案例重现:

有这样一段程序:

int a = 0;
boolean flag = false;

//线程1

public void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

//线程2

public void reader() {

if (flag) {

int i= a+1;

...... }

}

线程1依次执行a=1,flag=true;线程2判断到flag==true后,设置i=a+1。根据代码语义,我们可能会推断此时i的值等于2,因为线程2在判断flag==true时,线程1已经执行了a=1;所以i的值等于a+1=1+1=2;但真实情况却不一定如此,引起这个问题的原因是线程1内部的两条语句a=1;flag=true;可能被重新排序执行,如图:

这就是“指令重排序”问题的案例重现。两个赋值语句尽管他们的代码顺序是一前一后的,但真正执行时却不一定按照代码顺序执行。

那我们就有疑问了,这个指令重排序不会让我们的程序乱套吗?我写的程序都不按我的代码流程走,这还要得?Java、CPU、内存之间的那一套严格的指令重排序规则让我们大可放心,这套规则规定了哪些可以重排,哪些不可以重排。这样,我们的程序就不会乱套了。

二、java程序从编译到执行会经历哪些重排序

1、编译器优化重排序:属于java编译器重排序,会按照JMM(Java内存模型)的规范严格进行,编译器重排序一般不会对程序的正确逻辑造成影响

2、指令级并行重排序:属于CPU重排序,CPU的事情JMM就不好管了,怎么办呢?JMM会要求java编译器在生成指令时加入内存屏障。可以将内存屏障理解为一个密不透风的保护罩,把不能重排序的java指令保护起来,那么处理器在遇到内存屏障保护的指令时就不会对它进行重排序了

3、内存系统重排序:属于CPU重排序,情况与2相似

经过这3个步骤的重排序,一开始编写的.java源代码才有了一个最终可执行的指令序列。

三、单线程中,不会被重排序的逻辑

由于以上3种情况,任意改变任何一个代码的顺序,结果都会大不相同。所以,对于单线程中这样的逻辑代码,是不会被重排序的。

### Java JVM 指令重排序原理 指令重排序是指编译器和处理器为了提高程序执行效率,在不改变单线程程序语义的前提下,调整指令顺序的行为。然而,在多线程环境中,这种优化可能会导致不可预期的结果[^3]。 #### 1. 指令重排序的原因 现代处理器架构复杂度高,支持并行处理能力强大。为了充分利用硬件资源,JVM会尝试对字节码中的指令序列进行重新安排,使得那些可以提前计算的部分尽早被执行,从而减少因等待数据加载而导致的延迟。这种方式不仅提高了吞吐量还降低了响应时间。 #### 2. as-if-serial语义保障 尽管存在指令级别的乱序执行现象,但对于单一进程而言,其表现出来的效果仍然遵循原有的串行逻辑——即所谓的“as-if-serial”语义。这意味着即使发生了内部层面的变化,只要对外部观察者看来程序按原定次序完成了各项操作,则认为该过程是安全可靠的[^2]。 #### 3. volatile 关键字的作用 `volatile` 是一种特殊的修饰符,用于声明变量具有特殊属性:每次读取都直接从主存而不是缓存中获取最新值;写入也会立刻同步回主存而非仅保存到局部副本里。更重要的是,当一个字段被标记为 `volatile` 后,它能有效阻止围绕此字段发生的任何潜在有害形式的指令重排活动,确保特定的操作保持原有先后关系不变[^1]。 ```java public class VolatileExample { private volatile boolean flag = false; public void setFlag() { this.flag = true; // 这条赋值语句不会与其他语句发生不必要的交换位置 } public boolean getFlag() { return this.flag; } } ``` #### 4. 影响与解决方案 虽然大多数情况下指令重排序不会破坏应用程序的功能完整性,但在某些敏感场景下(特别是涉及共享状态访问),如果不加以适当管理则容易引发竞态条件等问题。为此,除了使用 `volatile` 外,还可以借助其他机制如锁(`synchronized`) 或原子类 (`AtomicInteger`, etc.) 来构建更健壮的数据结构和服务接口[^4]。
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