CPU 的乱序执行

CPU 的乱序执行

为什么要乱序执行

• CPU 的乱序执行本质上是为了提升效率，比如有这样两行命令

  int a = new OtherClass().method();
  int b = 0
  

• 在这种情况下，a 的结果可能需要很长时间才可以返回，而 b 的值则可以直接得出，同时 b 的值又不依赖于 a ,在这种情况下 CPU 就会乱序执行，这其实是为了提升效率
• 比如有如下的场景

  洗水壶 > 烧水 > 洗茶壶 > 洗茶杯 > 拿出茶叶 > 泡茶
  //但是我们可以通过合理的设计达到如下顺序
  洗水壶 > 烧水 ========================== > 泡茶
   		      洗茶壶 > 洗茶杯 > 拿出茶叶 
  // 这其实就是一种乱序的操作，但是是为了提高效率，CPU 也是如此
  // 技术源于生活，高于生活
  

don’t talk me ,show me your code !

• 我们来看看下面的代码，
• 如果都是顺序执行，是不是永远都不会出现 x = 0 && y = 0 的情况 ？

public class cpu {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        boolean flag = true;
        while (flag) {
            i++; x = 0; y = 0; a = 0; b = 0;
            Thread one = new Thread(() ->{
                    a = 1; x = b;
            });
            Thread other = new Thread(() ->{
                    b = 1; y = a;
            });
            one.start(); other.start();
            one.join(); other.join();
            String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.err.println(result);
                flag = false;
            }
        }
    }
}

但是技术总是要虐虐人才体现自己的难度的

经过测试居然出现了 x = 0 && y = 0 的情况，笔者测试了几次，时间都不是很长，这也就证明了 CPU 的乱序是真实存在的，而且不是很难遇到的现象
有兴趣的小伙伴可以看看这篇文章 Memory Reordering Caught in the Act

但是为什么我们写的代码好像从来没出现过乱序的现象呢？

• 这是因为，乱序执行的前提是：
  • 下面的指令不受上面的指令影响，就是说如果存在逻辑关系，是不会发生乱序的，而如果两个对象之间不互相影响，其实乱序执行最后的结果也是正确的。这就是 as-if-serial
  • as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial

CPU 执行乱序主要有以下几种

• 读读乱序(load load)： load(a);load(b); -----------> load(b);load(a);
• 写写乱序(store store)：a=1;b=2-------------> b=2;a=1;
• 写读乱序(store load)： a=1;load(b); ------------> load(b);a=1;
• 读写乱序(load store)： load(a);b=2; ------------> b=2;load(a);

如何避免CPU 乱序执行？

使用 volatile

java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

• 一句话即, volatile 声明的变量可以保证多线程对这个变量的可见性，它被称为轻量级的 synchronized, 它比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程的阻塞从而导致线程上下文的切换和调度。

回顾下happens-before对volatile规则的定义 : volatile变量的写，先发生于后续对这个变量的读.

这句话的含义有两层

• volatile 的写操作, 需要将线程 本地内存 值 立马刷新到 主内存的 共享变量 中
• volatile 的读操作, 需要从 主内存 的 共享变量 中读取，更新 本地内存变量 的值

由此引出 volatile 的内存语义：

• 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存.
• 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量,并更新本地内存的值

volatile 的特性

• 可见性：对一个volatile的变量的读，总是能看到任意线程对这个变量最后的写入
• 单个读或者写具有原子性：对于单个 volatile 变量的读或者写具有原子性，复合操作不具有.(如i++)
• 互斥性：同一时刻只允许一个线程对变量进行操作.(互斥锁的特点)

volatile 是怎么实现的呢？

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

volatile 为什么可以禁止重排序？

volatile 禁止指令重排序的一些规则：

• 当第二个操作是voaltile写时，无论第一个操作是什么，都不能进行重排序
• 当地一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能进行重排序
• 当第一个操作是volatile写时，第二个操作是volatile读时，不能进行重排序