计算机在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令重排,一般分为以下三种:
源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令
单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致
处理器在进行重排序时,必须要考虑指令之间的数据依赖性
多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在,两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测。
指令重排 - example 1
public void mySort() { int x = 11; int y = 12; x = x + 5; y = x * x; }
按照正常单线程环境,执行顺序是 1 2 3 4
但是在多线程环境下,可能出现以下的顺序:
2 1 3 4
1 3 2 4
上述的过程就可以当做是指令的重排,即内部执行顺序,和我们的代码顺序不一样
但是指令重排也是有限制的,即不会出现下面的顺序
4 3 2 1
因为处理器在进行重排时候,必须考虑到指令之间的数据依赖性
因为步骤 4:需要依赖于 y的申明,以及x的申明,故因为存在数据依赖,无法首先执行
例子
int a,b,x,y = 0
线程1
线程2
因为上面的代码,不存在数据的依赖性,因此编译器可能对数据进行重排
线程1
线程2
这样造成的结果,和最开始的就不一致了,这就是导致重排后,结果和最开始的不一样,因此为了防止这种结果出现,volatile就规定禁止指令重排,为了保证数据的一致性
指令重排 - example 2
比如下面这段代码
public class ResortSeqDemo { int a= 0; boolean flag = false; public void method01() { a = 1; flag = true; } public void method02() { if(flag) { a = a + 5; System.out.println("reValue:" + a); } } }
我们按照正常的顺序,分别调用method01() 和 method02() 那么,最终输出就是 a = 6
但是如果在多线程环境下,因为方法1 和 方法2,他们之间不能存在数据依赖的问题,因此原先的顺序可能是
a = 1;
flag = true;a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);
但是在经过编译器,指令,或者内存的重排后,可能会出现这样的情况
flag = true;
a = a + 5;
System.out.println("reValue:" + a);a = 1;
也就是先执行 flag = true后,另外一个线程马上调用方法2,满足 flag的判断,最终让a + 5,结果为5,这样同样出现了数据不一致的问题
为什么会出现这个结果:多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在,两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测。
这样就需要通过volatile来修饰,来保证线程安全性
Volatile针对指令重排做了啥
Volatile实现禁止指令重排优化,从而避免了多线程环境下程序出现乱序执行的现象
首先了解一个概念,内存屏障(Memory Barrier)又称内存栅栏,是一个CPU指令,它的作用有两个:
保证特定操作的顺序保证某些变量的内存可见性(利用该特性实现volatile的内存可见性)
由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化,如果在指令键插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU,不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序,也就是说,通过插入内存屏障前后的指令执行重排序优化。内存屏障另外一个作用是刷新出各种CPU的缓存数,因此任何cpu上的线程都能读取到这些数据的最新版本
也就是在Volatile的写和读的时候,加入屏障,防止出现指令重排线程安全得到保证
工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题
- 可以使用synchronized或volatile关键字解决,它们都可以使得一个线程修改后的变量立即对其他线程可见。
- 对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题
- 可以利用volatile关键字解决,因为volatile的另一个作用就是禁止重排序优化。
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