JUC-指令有序性

2024-09-01 20:12
文章标签 指令 juc 有序性

本文主要是介绍JUC-指令有序性，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

指令重排

JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，思考下面一段代码

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; 
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是

i = ...; 
j = ...;

也可以是

j = ...;
i = ...; 

这种特性称之为『指令重排』，多线程下『指令重排』会影响正确性。为什么要有重排指令这项优化呢？从 CPU 执行指令的原理来理解一下吧

原理之指令级并行

名词

Clock Cycle Time

主频的概念大家接触的比较多，而 CPU 的 Clock Cycle Time（时钟周期时间），等于主频的倒数，意思是 CPU 能 够识别的最小时间单位，比如说 4G 主频的 CPU 的 Clock Cycle Time 就是 0.25 ns，作为对比，我们墙上挂钟的 Cycle Time 是 1s

例如，运行一条加法指令一般需要一个时钟周期时间

CPI

有的指令需要更多的时钟周期时间，所以引出了 CPI （Cycles Per Instruction）指令平均时钟周期数

IPC

IPC（Instruction Per Clock Cycle） 即 CPI 的倒数，表示每个时钟周期能够运行的指令数

CPU 执行时间

程序的 CPU 执行时间，即我们前面提到的 user + system 时间，可以用下面的公式来表示

程序 CPU 执行时间 = 指令数 * CPI * Clock Cycle Time

指令重排序优化

事实上，现代处理器会设计为一个时钟周期完成一条执行时间最长的 CPU 指令。为什么这么做呢？可以想到指令 还可以再划分成一个个更小的阶段，

例如每条指令都可以分为：

取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 这 5 个阶段

术语参考：

  • instruction fetch (IF)

  • instruction decode (ID)

  • execute (EX)

  • memory access (MEM)

  • register write back (WB)

在不改变程序结果的前提下，这些指令的各个阶段可以通过重排序和组合来实现指令级并行，这一技术在 80's 中 叶到 90's 中叶占据了计算架构的重要地位。  

 指令重排的前提是，重排指令不能影响结果，例如

// 可以重排的例子
int a = 10; // 指令1
int b = 20; // 指令2
System.out.println( a + b );
// 不能重排的例子
int a = 10; // 指令1
int b = a - 5; // 指令2

支持流水线的处理器

现代 CPU 支持多级指令流水线，例如支持同时执行 取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 的处理 器，就可以称之为五级指令流水线。这时 CPU 可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段（相当于一 条执行时间最长的复杂指令），IPC = 1，本质上，流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但它变相地提高了 指令地吞吐率。

SuperScalar 处理器

大多数处理器包含多个执行单元，并不是所有计算功能都集中在一起，可以再细分为整数运算单元、浮点数运算单 元等，这样可以把多条指令也可以做到并行获取、译码等，CPU 可以在一个时钟周期内，执行多于一条指令，IPC > 1

诡异的结果

_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？

情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1

情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1

情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）

结果还有可能是 0 😁😁😁，信不信吧！

这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2

相信很多人已经晕了 😵😵😵

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {if(ready) {r.r1 = num + num;} else {r.r1 = 1;}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) { num = 2;ready = true; 
}

解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排

原理之 volatile

volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

  • 对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障

  • 对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

如何保证可见性

  • 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

public void actor2(I_Result r) {    
num = 2;    
ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障    // 写屏障 
}

  • 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

public void actor1(I_Result r) {   // 读屏障    // ready 是 volatile 读取值带读屏障    
if(ready) {       r.r1 = num + num;  } 
else {       r.r1 = 1; }}


如何保证有序性  

  • 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后，因为写屏障之前的数据要同步到主存中，如果进行指令的重排，有些数据的同步就不到位，所以都不能重排

public void actor2(I_Result r) {num = 2;ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障// 写屏障
}

  • 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

public void actor1(I_Result r) {// 读屏障// ready 是 volatile 读取值带读屏障if(ready) {r.r1 = num + num;} else {r.r1 = 1;}
}

还是那句话，不能解决指令交错：

  • 写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证其它线程的读操作跑到它前面去

  • 而有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序

double-checked locking 问题

public final class Singleton {private Singleton() { }private static Singleton INSTANCE = null;public static Singleton getInstance() { if(INSTANCE == null) { // t2// 首次访问会同步，而之后的使用没有 synchronizedsynchronized(Singleton.class) {if (INSTANCE == null) { // t1INSTANCE = new Singleton();} }}return INSTANCE;}
}

以上的实现特点是：

  • 懒惰实例化

  • 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁

  • 有隐含的，但很关键的一点：第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外

 但在多线程环境下，上面的代码是有问题的，getInstance 方法对应的字节码为：

0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
8: dup
9: astore_0
10: monitorenter
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
20: dup
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
27: aload_0
28: monitorexit
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn

其中

  • 17 表示创建对象，将对象引用入栈 // new Singleton

  • 20 表示复制一份对象引用 // 引用地址

  • 21 表示利用一个对象引用，调用构造方法

  • 24 表示利用一个对象引用，赋值给 static INSTANCE

也许 jvm 会优化为：先执行 24，再执行 21。如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：  

关键在于 0: getstatic 这行代码在 monitor （synchronized代码块之外）控制之外，它就像之前举例中不守规则的人，可以越过 monitor 读取 INSTANCE 变量的值

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效

double-checked locking 解决

public final class Singleton {private Singleton() { }private static volatile Singleton INSTANCE = null;public static Singleton getInstance() {// 实例没创建，才会进入内部的 synchronized代码块if (INSTANCE == null) { synchronized (Singleton.class) { // t2// 也许有其它线程已经创建实例，所以再判断一次if (INSTANCE == null) { // t1INSTANCE = new Singleton();}}}return INSTANCE;}
}
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的读屏障
0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
8: dup
9: astore_0
10: monitorenter -----------------------> 保证原子性、可见性
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
20: dup
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的写屏障
27: aload_0
28: monitorexit ------------------------> 保证原子性、可见性
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn

如上面的注释内容所示，读写 volatile 变量时会加入内存屏障（Memory Barrier（Memory Fence）），保证下面 两点：

  • 可见性

    • 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的 t1 对共享变量的改动，都同步到主存当中

    • 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后 t2 对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

  • 有序性

    • 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后

    • 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

  • 更底层是读写变量时使用 lock 指令来多核 CPU 之间的可见性与有序性

这篇关于JUC-指令有序性的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1127929。

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