指令重排现象的两个阶段

时间:2022-05-23 子牙_公号硬核子牙人气:0

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：

1、调用javac命令将Java代码编译成Java字节码；
2、Unix派系平台上调用gcc命令将openjdk源码编译成汇编代码。

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

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