【JAVA】【内存模型】指令重排

描述

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

原由

当一段代码中，若因编程习惯问题，导致将相关联的代码随机位置，不紧凑时，可以通过指令重排优化，使代码紧凑相关联。

   a = 100;
   b = 5; // b 和 a 没有相关联性
   a = a + 10; // a 相关联a，并且，这种情况会对load a两次，故可以对a进行重排
   c = a + b；// c 依赖 a和b，不能进行重排序

   a = 100;
   a = a + 10; // 此行与a=100关联，由load两次优化load一次
   b = 5; 
   c = a + b; // 此行无法重排序

分类

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
• 处理器重排序
  • 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  • 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

重排序语义

as-if-serial 语义

不管指令怎么重排序，在单线程下执行结果不能被改变。不管是编译器级别还是处理器级别的重排序都必须遵循as-if-serial语义。

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。但是as-if-serial规则允许对有控制依赖关系的指令做重排序，因为在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果，但是多线程下确有可能会改变结果。

happens-before 语义

JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。

  两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个 操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一 个操作按顺序排在第二个操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。

原则：

• 程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 监视器锁规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
• 管程锁定规则： 一个线程获取到锁后，它能看到前一个获取到锁的线程所有的操作结果。
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生与操作C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.jion()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始。

内存屏障

  内存屏障，也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等， 是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。

类型

屏障类型	指令示例	简述	说明
LoadLoad	Load1；LoadLoad；Load2	在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问时，保证Load1要读取的数据被读取完毕。	确保Load1所要读入的数据能够在被Load2和后续的load指令访问前读入。通常能执行预加载指令或/和支持乱序处理的处理器中需要显式声明Loadload屏障，因为在这些处理器中正在等待的加载指令能够绕过正在等待存储的指令。 而对于总是能保证处理顺序的处理器上，设置该屏障相当于无操作。
StoreStore	Store1；StoreStore；Store2	在Store2及其后续的写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其他的处理器可见。	确保Store1的数据在Store2以及后续Store指令操作相关数据之前对其它处理器可见（例如向主存刷新数据）。通常情况下，如果处理器不能保证从写缓冲或/和缓存向其它处理器和主存中按顺序刷新数据，那么它需要使用StoreStore屏障。
LoadStore	Load1；LoadStore；Store2	在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。	确保Load1的数据在Store2和后续Store指令被刷新之前读取。在等待Store指令可以越过loads指令的乱序处理器上需要使用LoadStore屏障。
StoreLoad	Store1；StoreLoad；Load2	在Load2及其后续的读取操作被执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。	确保Store1的数据在被Load2和后续的Load指令读取之前对其他处理器可见。StoreLoad屏障可以防止一个后续的load指令 不正确的使用了Store1的数据，而不是另一个处理器在相同内存位置写入一个新数据。正因为如此，所以在下面所讨论的处理器为了在屏障前读取同样内存位置存过的数据，必须使用一个StoreLoad屏障将存储指令和后续的加载指令分开。Storeload屏障在几乎所有的现代多处理器中都需要使用，但通常它的开销也是最昂贵的。它们昂贵的部分原因是它们必须关闭通常的略过缓存直接从写缓冲区读取数据的机制。这可能通过让一个缓冲区进行充分刷新（flush）,以及其他延迟的方式来实现。

顺序一致性

顺序一致性内存模型是一个理想化的理论参考模型，它提供了极强的内存可见性保证。顺序一致性内存模型两大特性：

• 一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。
• （不管程序是否同步）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

JMM对正确同步的多线程程序的内存一致性做了如下保证：如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性（Sequentially Consistent）——即程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同。

参考

• https://blog.csdn.net/xiaolyuh123/article/details/103289570