Java内存模型与指令重排

发表于 4年以前 | 总阅读数：684 次

本文暂不深入讲解 JMM（Java 内存模型）中的主存、工作内存以及数据如何在其中流转等。因为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；
有序性；
可见性；
指令重排：CPU 指令重排、编译器优化重排；
Happen-Before 规则。

原子性

原子性是指一个操作是不可中断的。即使多个线程一起执行，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 i++ 则不是原子性的, 因为实际上它等价于 i = i + 1。若有多个线程操作 i，结果将不可预期。

有序性

有序性是指，在单线程环境中程序是按序依次执行的。而多线程环境中, 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

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。有多个场景会影响到可见性：

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、批操作）

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

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。

CPU指令重排

一条汇编指令的执行是可以分为很多步骤得，分为不同的硬件执行：

取指 IF；
译码和取寄存器操作数 ID；
执行或者有效地址计算 EX（ALU 逻辑计算单元）；
存储器访问 MEM；
写回 WB（寄存器）。

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：

指令1 : 加载 B 到寄存器 R1中；
指令2 : 加载 C 到寄存器 R2 中；
指令3 : 将 R1 与 R2 相加，得到 R3；
指令4 : 将 R3 赋值给 A。

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、指令2加载结果，因此红色框选部分表示在等待指令1、指令2结束。待指令1、指令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下图，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。例如：指令1为 a = 1，指令2为 b = a - 1。则指令1、指令2 不会发生重排。

编译器优化

主要指 JVM 层面，如下面代码：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 JDK 1.7.0_55为例，可以通过修改 JAVA_HOME/jre/lib/i386/jvm.cfg 将 JVM 调整为 Server 模式验证。修改内容如下图所示，将 -server 调整到 -client 的上面。

-server KNOWN
-client KNOWN
-hotspot ALIASED_TO -client
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

修改成功后 java -version 会产生如下变化：

两者区别在于：当 JVM 运行在 -client 模式的时候，使用的是一个代号为 C1 的轻量级编译器；而 -server 模式启动的虚拟机采用相对更重量级的 C2 的编译器。C2 比 C1 编译器编译得相对彻底。虽然这会导致程序启动慢，但服务起来之后性能更高，同时有可能带来可见性问题。

将上述代码运行的汇编代码打印出来，打印方法也简单提一下。给主类运行时加上 VM Options：

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly

此时会提示：

Could not load hsdis-i386.dll; library not loadable; PrintAssembly is disabled

因为打印汇编需要给 JDK 安装一个插件，可能需要自己编译 hsdis。不同平台不太一样：Windows 下32位 JDK 需要的是 hsdis-i386.dll；64位 JDK 需要 hsdis-amd64.dll。把编译好的 hsdis-i386.dll 放到 JAVA_HOME/jre/bin/server 以及 JAVA_HOME/jre/bin/client 目录中运行代码。控制台会把代码对应的汇编指令一起打印出来。

输出会有很多行，只需要搜索 run 方法对应的汇编。搜索 'run' '()V' in 'VisibilityTest' 可以找到对应的指令。如下面的代码所示，从第26、27行注释的部分可以看出：只有第一次进入循环之前检查了下 stop 的值；不满足条件进入循环后，不再**检查 stop**, 一直在做循环 i++。

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


  # {method} 'run' '()V' in 'VisibilityTest'
  ......
  0x02d486e9: jne    0x02d48715
  // 获取stop的值
  0x02d486eb: movzbl 0x64(%ebp),%ecx    ; implicit exception: dispatches to 0x02d48703
  0x02d486ef: test   %ecx,%ecx
  // 进入while之前, 若stop满足条件, 则跳转到0x02d48703, 不执行while循环
  0x02d486f1: jne    0x02d48703         ;*goto
                                        ; - VisibilityTest::run@12 (line 10)
  // 循环体内, i++
  0x02d486f3: inc    %edi               ; OopMap{ebp=Oop off=52}
                                        ;*goto
                                        ; - VisibilityTest::run@12 (line 10)
  0x02d486f4: test   %edi,0xe00000      ;*goto
                                        ; - VisibilityTest::run@12 (line 10)
                                        ;   {poll}
  // jmp, 无条件跳转到0x02d486f3, 一直执行i++操作, 根本不检查stop的值
  // 导致死循环
  0x02d486fa: jmp    0x02d486f3
  0x02d486fc: mov    $0x0,%ebp
  0x02d48701: jmp    0x02d486eb
  // 跳出循环
  0x02d48703: mov    $0xffffff86,%ecx
  ......

解决方案也很简单，只要给 stop 加上 volatile 关键字。再次输出汇编代码，发现每次都会检查 stop 值，不再出现无限循环了。

// 给stop加上volatile后
public void run() {
    int i = 0;
    while (!stop) {
        i++;
    }
    System.out.println("finish loop,i=" + i);
}
# {method} 'run' '()V' in 'VisibilityTest'
......
0x02b4895c: mov    0x4(%ebp),%ecx     ; implicit exception: dispatches to 0x02b4899d
0x02b4895f: cmp    $0x5dd5238,%ecx    ;   {oop('VisibilityTest')}
// 进入while判断
0x02b48965: jne    0x02b4898d         ;*aload_0
                                      ; - VisibilityTest::run@2 (line 9)
// 跳转到0x02b48977获取stop
0x02b48967: jmp    0x02b48977
0x02b48969: nopl   0x0(%eax)　　    // 循环体内, i++
0x02b48970: inc    %ebx             ; OopMap{ebp=Oop off=49}
                                    ;*goto
                                    ; - VisibilityTest::run@12 (line 10)
0x02b48971: test   %edi,0xb30000    ;*aload_0
                                    ; - VisibilityTest::run@2 (line 9)
                                    ;   {poll}
// 循环过程中获取stop的值
0x02b48977: movzbl 0x64(%ebp),%eax  ;*getfield stop
                                    ; - VisibilityTest::run@3 (line 9)
// 验证stop的值
0x02b4897b: test   %eax,%eax
// 若stop不符合条件, 则继续跳转到0x02b48970: inc, 执行i++, 否则中断循环
0x02b4897d: je     0x02b48970       ;*ifne
                                    ; - VisibilityTest::run@6 (line 9)
0x02b4897f: mov    $0x33,%ecx
0x02b48984: mov    %ebx,%ebp
0x02b48986: nop    
// 跳出循环, 执行System.out.print打印
0x02b48987: call   0x02b2cac0       ; OopMap{off=76}
                                    ;*getstatic out
                                    ; - VisibilityTest::run@15 (line 12)
                                    ;   {runtime_call}
0x02b4898c: int3   
0x02b4898d: mov    $0xffffff9d,%ecx
......

再来看两个 Java 语言规范中的例子，同样涉及到编译器优化重排。这里不再做详细解释，只介绍结果：例子1中有可能出现 r2 = 2 并且 r1 = 1 的情况。