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关于指令重排现象的两个阶段详解

作者:子牙_公号硬核子牙

这个知识点也是很多人说不清道不明的地方,感觉都知道,说又说不出来。为什么会这样呢?因为这几个字,很容易被当成动词去理解,其实正确的理解是当成名词,即指令重排现象

那什么时候会产生指令重排现象呢?两个阶段:1、编译期;2、运行期。

编译期指令重排

解释型语言是在运行期间执行编译+运行动作,所以运行效率较编译型语言低。Java既可以作为解释型语言去用,也可以作为编译型语言。但是主流的做法是当成编译型语言在用。那Java在编译期做了指令重排优化吗?做了哪些优化?能不能让我看看?为了满足大家的好奇,安排。

这里先解释下编译期:像c/c++只有一个编译期,就是调用gcc命令将c/c++代码编译成汇编代码。

但是Java中有两个编译期:

网上所有的文章都是在讲第一种,而且都是讲概念,以讹传讹。我这篇文章不仅两种都讲,还都用代码+图片的方式证明给你看。所以想学底层,不找一个靠谱的师傅是学不会学不明白的,因为第一你不知道这个知识点牵扯得有多深,第二两个观点摆在你面前,你不知道哪个对那个错。

这里我先把结论给大家吧:编译期间,Java中所谓的指令重排主要是说编译openjdk时的指令重排,将Java代码编译成Java字节码是没有做指令重排的。即你加不加volatile,生成的字节码文件是一样的。是不是颠覆了你对这块的认知呢!不信?看案例。

可能有人要问了,如果加不加volatile生成的字节码文件都一个样,那在运行的时候JVM是怎么知道的呢?类属性在JVM中存储的时候会有一个属性:Access flags。JVM在运行的时候就是通过该属性来判断操作的类属性有没有加volatile修饰,上图。

1、上神秘代码

public class Test3 {
 public static /* volatile */ int found = 0;
 public static void main(String[] args) {
    new Thread(new Runnable() {
       public void run() {
          System.out.println("等基友送笔来...");
          while (0 == found) {
          }
          System.out.println("笔来了,开始写字...");
       }
    }, "我线程").start();

    new Thread(new Runnable() {
       public void run() {
          try {
             Thread.sleep(2000);
          } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("基友找到笔了,送过去...");
          change();
       }
    }, "基友线程").start();
 }
 public static void change() {
    found = 1;
 }
}

稍微解释下这段代码:有两个线程:我线程、基友线程。『我线程』通过死循环阻塞在那里等待『基友线程』找到笔送过来,然后开始写字。『基友线程』等待一会就去找笔,找到了就送过去。

2、编译成Java字节码(没加volatile)

3、编译成Java字节码(加了volatile)

可以发现加不加volatile,生成的字节码是一样的。

4、编译器优化

指令重排是编译器优化中的一种,编译openjdk是启用了O2级编译器优化,如图。

O2级优化做了哪些优化?比如优化无效代码、编译期完成简单运算、处理编译期屏障……那gcc有多少级优化?有兴趣的童鞋可以自行学习,百度搜索关键词:-O2。

优化无效代码,看图(我就不贴C++代码了)

运行期指令重排

不知道大家有没有听过一个词:CPU乱序执行。乱序执行是相对于顺序执行来说的。计算机刚被发明的时候都是顺序执行,后来为了提升CPU运行效率,升级成了乱序执行。

那为什么乱序执行就提高了运行效率呢?有兴趣的童鞋可以去研究下,关键词:指令流水线。

所以计算机这行,如果你觉得大学学的那些基础知识不重要,你看我的文章就明白有多重要。这行走到最后较量的就是这些东西,就是看谁研究得更深入更底层更明了。

因为现在的CPU都是采用乱序执行,这样在运行程序的过程中就带来了指令重排的现象。这是在运行期,在CPU内部发生的,我就没办法证明给你看了。但就算是乱序执行提高了效率,那也不能改变我程序的意愿,这就引出了一个概念:as-if-serial。

何谓as-if-serial呢?简单的说就是不管你在编译期或者在运行期怎么做指令重排,单线程环境下程序的执行结果不能改变。说白了这是指令重排的底线,是必须遵守的规范。那如何保证呢?这就引出了另外两个难以理解的知识点:happens-before、内存屏障。

happens-before是做什么的呢?简单的说就是告诉写JVM的人,你写JVM的时候要遵循这几条规则,这几条规则是你JVM默认要做到的,而不用程序猿在写代码的时候需要去想去做控制。比如对象的初始化动作一定要先于finalize方法执行前完成。其他几个规则我就不细说了,都很好理解,童鞋们自行去学习下。

有些流程的顺序是可以提前知晓并确定下来,但有些流程的顺序是无法提前知晓的,比如你公司的业务,写JVM的人肯定不知道,所以依然需要程序猿根据业务需要来控制,那从JVM层面来说,我给你提供机制。内存屏障就是这种机制中的一种,其他的还有各种锁。关于内存屏障,我之前已经写了一篇文章深入讲解了这块,有兴趣的同学可以去看看,传送门 内存屏障由来及实现思路

以上就是关于指令重排现象的两个阶段详解的详细内容,更多关于指令重排现象的两个阶段的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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