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Java内存模型与指令重排(一)
2018-06-09 10:07:57 】 浏览:519
Tags:Java 内存 模型 指令

本文暂不讲JMM(Java Memory Model)中的主存, 工作内存以及数据如何在其中流转等等,这些本身还牵扯到硬件内存架构, 直接上手容易绕晕, 先从以下几个点探索JMM


原子性是指一个操作是不可中断的. 即使是在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其它线程干扰. 例如CPU中的一些指令, 属于原子性的,又或者变量直接赋值操作(i = 1), 也是原子性的, 即使有多个线程对i赋值, 相互也不会干扰.


而如i++, 则不是原子性的, 因为他实际上i = i + 1, 若存在多个线程操作i, 结果将不可预期.



有序性是指在单线程环境中, 程序是按序依次执行的.


而在多线程环境中, 程序的执行可能因为指令重排而出现乱序, 下文会有详细讲述.


class OrderExample {
        int a = 0;
        boolean flag = false;


        public void writer() {
            // 以下两句执行顺序可能会在指令重排等场景下发生变化
            a = 1;
            flag = true;
        }


        public void reader() {
            if (flag) {
                int i = a + 1;
                ……
            }
        }
    }



可见性是指当一个线程修改了某一个共享变量的值,其他线程是否能够立即知道这个修改.


会有多种场景影响到可见性:


CPU指令重排


多条汇编指令执行时, 考虑性能因素, 会导致执行乱序, 下文会有详细讲述.


硬件优化(如写吸收

僮鳎


cpu2修改了变量T, 而cpu1却从高速缓存cache中读取了之前T的副本, 导致数据不一致.



编译器优化


主要是Java虚拟机层面的可见性, 下文会有详细讲述.


指令重排是指在程序执行过程中, 为了性能考虑, 编译器和CPU可能会对指令重新排序.


一条汇编指令的执行是可以分为很多步骤的, 分为不同的硬件执行


既然指令可以被分解为很多步骤, 那么多条指令就不一定依次序执行.


因为每次只执行一条指令, 依次执行效率太低了, 假设上述每一个步骤都要消耗一个时钟周期, 那么依次执行的话, 一条指令要5个时钟周期, 两条指令要占用10个时钟周期, 三条指令消耗15个时钟.



而如果硬件空闲即可执行下一步, 类似于工厂中的流水线, 一条指令要5个时钟周期, 两条指令只需要6个时钟周期, 因为是错位流水执行, 三条指令消耗7个时钟.


 



举个例子 A = B + C, 需要如下指令


注意下图红色框选部分, 指令1, 2独立执行, 互不干扰.


指令3依赖于指令1, 2加载结果, 因此红色框选部分表示在等待指令1, 2结束.


待指令1, 2都已经走完MEM部分, 数据加载到内存后, 指令3继续执行计算EX.


同理指令4需要等指令3计算完, 才可以拿到R3, 因此也需要错位等待.



再来看一个复杂的例子


a = b + c


d = e - f


具体指令执行步骤如图, 不再赘述, 与上图类似, 在执行过程中同样会出现等待.



这边框选的X统称一个气泡, 有没有什么方案可以削减这类气泡呢.


答案自然是可以的, 我们可以在出现气泡之前, 执行其他不相干指令来减少气泡.


例如可以将第五步的加载e到寄存器提前执行, 消除第一个气泡, 


同理将第六步的加载f到寄存器提前执行, 消除第二个气泡.



经过指令重排后, 整个流水线会更加顺畅, 无气泡阻塞执行.



原先需要14个时钟周期的指令, 重排后, 只需要12个时钟周期即可执行完毕.


指令重排只可能发生在毫无关系的指令之间, 如果指令之间存在依赖关系, 则不会重排.


如 指令1 : a = 1 指令2: b = a - 1, 则指令1, 2 不会发生重排.


主要指jvm层面的, 如下代码, 在jvm client模式很快就跳出了while循环, 而在server模式下运行, 永远不会停止.


/**
 * Created by Administrator on 2018/5/3/0003.
 */
public class VisibilityTest extends Thread {
    private boolean stop;


    public void run() {
        int i = 0;
        while (!stop) {
            i++;
      }
        System.out.println("finish loop,i=" + i);
    }


    public void stopIt() {
        stop = true;
    }


    public boolean getStop() {
        return stop;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        VisibilityTest v = new VisibilityTest();
        v.start();
        Thread.sleep(1000);
        v.stopIt();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("finish main");
        System.out.println(v.getStop());
    }
 }


以32位jdk1.7.0_55为例, 我们可以通过修改JAVA_HOME/jre/lib/i386/jvm.cfg, 将jvm调整为server模式验证下.


修改内容如下图所示, 将-server调整到-client的上面.


修改成功后, java -version会产生如图变化.



我们将上述代码运行的汇编代码打印出来
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