關於指令重排現象的兩個階段詳解

阿新 • • 發佈：2022-01-31

編譯期指令重排

解釋型語言是在執行期間執行編譯+執行動作，所以執行效率較編譯型語言低。Java既可以作為解釋型語言去用，也可以作為編譯型語言。但是主流的做法是當成編譯型語言在用。那Java在編KvMcg譯期做了指令重排優化嗎？做了哪些優化？能不能讓我看看？為了滿足大家的好奇，安排。

這裡先解釋下編譯期：像c/c++只有一個編譯期，就是呼叫gcc命令將c/c++程式碼編譯成彙編程式碼。

但是Java中有兩個編譯期：

1、呼叫javac命令將Java程式碼編譯成Java位元組碼；
2、Unix派系平臺上呼叫gcc命令將openjdk原始碼編譯成彙編程式碼。

網上所有的文章都是在講第一種，而且都是講概念，以訛傳訛。我這篇文章不僅兩種都講，還都用程式碼+圖片的方式證明給你看。所以想學底層，不找一個靠譜的師傅是學不會學不明白的，因為第一你不知道這個知識點牽扯得有多深，第二兩個觀點擺在你面前，你不知道哪個對那個錯。

這裡我先把結論給大家吧：編譯期間，Java中所謂的指令重排主要是說編譯openjdk時的指令重排，將Java程式碼編譯成Java位元組碼是沒有做指令重排的。即你加不加volatile，生成的位元組碼檔案是一樣的。是不是顛覆了你對這塊的認知呢！不信？看案例。

可能有人要問了，如果加不加volatile生成的位元組碼檔案都一個樣，那在執行的時候JVM是怎麼知道的呢？類屬性在JVM中儲存的時候會有一個屬性：Access flags。JVM在執行的時候就是通過該屬性來判斷操作的類屬性有沒有加volatile修飾，上圖。

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1、上神祕程式碼

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("等基友送筆來...");
          while (0 == found) {
          }
          System.out.println("筆來了，開始寫字...");
       }
    },"我執行緒").start();

    new Thread(new Runnable() {
       public void run() {
          try {
        
      Thread.sleep(2000);
          } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("基友找到筆了，送過去...");
          change();
       }
    },"基友執行緒").start();
 }
 public static void change() {
    found = 1;
 }
}

稍微解釋下這段程式碼：有兩個執行緒：我執行緒、基友執行緒。『我執行緒』通過死迴圈阻塞在那裡等待『基友執行緒』找到筆送過來，然後開始寫字。『基友執行緒』等待一會就去找筆，找到了就送過去。

2、編譯成Java位元組碼（沒加volatile）

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3、編譯成Java位元組碼（加了volatile）

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可以發現加不加volatile，生成的位元組碼是一樣的。

4、編譯器優化

指令重排是編譯器優化中的一種，編譯openjdk是啟用了O2級編譯器優化，如圖。

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O2級優化做了哪些優化？比如優化無效程式碼、編譯期完成簡單運算、處理編譯期屏障……那gcc有多少級優化？有興趣的童鞋可以自行學習，百度搜索關鍵詞：-O2。

優化無效程式碼，看圖（我就不貼C++程式碼了）

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執行期指令重排

不知道大家有沒有聽過一個詞：CPU亂序執行。亂序執行是相對於順序執行來說的。計算機剛被髮明的時候都是順序執行，後來為了提升CPU執行效率，升級成了亂序執行。

那為什麼亂序執行就提高了執行效率呢？有興趣的童鞋可以去研究下，關鍵詞：指www.cppcns.com令流水線。

所以計算機這行，如果你覺得大學學的那些基礎知識不重要，你看我的文章就明白有多重要。這行走到最後較量的就是這些東西，就是看誰研究得更深入更底層更明瞭。

因為現在的CPU都是採用亂序執行，這樣在執行程式的過程中就帶來了指令重排的現象。這是在執行期，在CPU內部發生的，我就沒辦法證明給你看了。但就算是亂序執行提高了效率，那也不能改變我程式的意願，這就引出了一個概念：as-if-serial。

何謂as-if-serial呢？簡單的說就是不管你在編譯期或者在執行期怎麼做指令重排，單執行緒環境下程式的執行結果不能改變。說白了這是指令重排的底線，是必須遵守的規範。那如何保證呢？這就引出了另外兩個難以理解的知識點：happens-before、記憶體屏障。

happens-b客棧efore是做什麼的呢？簡單的說就是告訴寫JVM的人，你寫JVM的時候要遵循這幾條規則，這幾條規則是你JVM預設要做到的，而不用程式猿在寫程式碼的時候需要去想去做控制。比如物件的初始化動作一定要先於finalize方法執行前完成。其他幾個規則我就不細說了，都很好理解，童鞋們自行去學習下。

有些流程的順序是可以提前知曉並確定下來，但有些流程的順序是無法提前知曉的，比如你公司的業務，寫JVM的人肯定不知道，所以依然需要程式猿根據業務需要來控制，那從JVM層面來說，我給你提供機制。記憶體屏障就是這種機制中的一種，其他的還有各種鎖。關於記憶體屏障，我之前已經寫了一篇文章深入講解了這塊，有興趣的同學可以去看看，傳送門記憶體屏障由來及實現思路

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