JMM指令重排序的示例分析

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一、指令为什么要重排序？

在计算机系统中，指令为了更快的完成结果，会根据逻辑关系、指令大小进行重排序，以达到超流水线的效果，但在代码执行完后，保证结果输出是一致的。

在JVM中又两条原则：

as-if -serials 这个规则适用于单线程，默认自动处理
happens-before 这个规则适用于多线程，当然也要通过相应的锁和关键字来实现

二、JMM（Java Memory Manager）指令重排序如何实现的呢？

我们知道，JIT会根据CPU架构编译合适的代码去执行，因此，在汇编层面讨论反而不见得能统一意见，比如X86，他只有lock来实现，其他CPU架构则是LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad。

实际上我们还是在JIT层面思考比较容易理解，这里我们定义一个类

（注意：这个类未必和JIT实际效果一致，取决于JIT激进程度）

package com.apptest;

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private String C;
    private String D;
    private String E;

    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";
        A = a;
        B = b;
        C = c;
        D = d;
        E = e;

        System.out.println(A);
        System.out.println(B);
        System.out.println(C);
        System.out.println(D);
        System.out.println(E);
    }
}

那么如果重排序，效果可能如下

package com.apptest;

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private String C;
    private String D;
    private String E;

 
    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";

        A = a;
        System.out.println(A);

        B = b;
        System.out.println(B);

        C = c;
        System.out.println(C);
        D = d;
        System.out.println(D);

        E = e;
        System.out.println(E);
    }
}

这是JIT可能重排序后的结果，实际上寄存器、CPU也会进行重排序，但最终也会保证内存一致性。

三、如何禁止指令重排序呢？

Java中，禁止指令重排序的关键字只有2个，一个是volatile、另一个是final，某种成都上，也能说明final和volatile不能同时修饰一个变量的原因，因为他们的功能有些重叠。

3 .1 要不要禁止

首先要确定要不要禁止重排序，重排序往往在多线程中出现问题，如果程序在串行执行，完全没有必要，因此，单线程中的引用类型（不包括常量和字符串常量，这些类型引用建议加final）建议不要加final和volatile，当然，final需要考虑深入一些，因为有时我们需要做一些强约束，但总体来说能不加就不加。

3.2 原理

多线程中，维护hanpens-before原则不是JVM自身就能处理的，还需要在代码层面进行相应的指示，此外，相应的JIT会将指示编译成指令，让寄存器和CPU也遵守。

指令重排序的达到的最终效果

读操作

JMM指令重排序的示例分析

写操作

JMM指令重排序的示例分析

3.3 效果演示

回到文章开头，我们给VolatileWatcher的C变量添加volatile修饰，那么JIT重排序后的结果可能是如下情况

public class VolatileWatcher {

    private String A;
    private String B;
    private volatile String C;
    private String D;
    private String E;

    public void run() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        String c = "c";
        String d = "d";
        String e = "e";
        B = b;
        A = a;
        C = c; //写屏障
        E = e;
        D = d;

        System.out.println(A);
        System.out.println(B);
        System.out.println(C); //读屏障
        System.out.println(D);
        System.out.println(E);
    }
}

我们发现，A、B不能跨越C变量的写屏障往下重排序，但是屏障上方的A、B之间也是可以重排序的，E、D不能跨越读屏障，但是E、D可以在读屏障和写屏障之间排序。（这里故意写成A，B，E，D在屏障外顺序变化，目的主要是为了说明屏障的作用，具体看实际效果）

四、final和volatile的区别？

我们知道，final修饰的是只读变量，有很强的“只读”约束性，所有final修饰的变量都需要在构造方法中初始化（类外部final字段的最终会插入到super(...)之后），而volatile一般用于多线程变量的读写，但他们都具备实现内存屏障的能力，可以说，都能实现禁止重排序。

不同点：

final字段的写操作，只作用于构造函数。

final字段的读操作，读取和volatile基本一样

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JMM指令重排序的示例分析

一、指令为什么要重排序？

二、JMM（Java Memory Manager）指令重排序如何实现的呢？

三、如何禁止指令重排序呢？

四、final和volatile的区别？

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