Java内存访问重排序笔记

程序员文章站 2022-05-04 17:25:56

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关于重排序

重排序通常是编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。

重排序分为两类：编译期重排序和运行期重排序，分别对应编译时和运行时环境。

As-if-serial语义

as-if-serial语义的意思是，所有的动作(Action)都可以为了优化而被重排序，但是必须保证它们重排序后的结果和程序代码本身的应有结果是一致的。

Java编译器、运行时和处理器都会保证单线程下的as-if-serial语义。

比如，为了保证这一语义，重排序不会发生在有数据依赖的操作之中。

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

将上面的代码编译成Java字节码或生成机器指令，可视为展开成了以下几步动作（实际可能会省略或添加某些步骤）。

对a赋值1
对b赋值2
取a的值
取b的值
将取到两个值相加后存入c

在上面5个动作中，动作1可能会和动作2、4重排序，动作2可能会和动作1、3重排序，动作3可能会和动作2、4重排序，动作4可能会和1、3重排序。但动作1和动作3、5不能重排序。动作2和动作4、5不能重排序。因为它们之间存在数据依赖关系，一旦重排，as-if-serial语义便无法保证。

内存屏障

内存屏障（Memory Barrier，或叫做内存栅栏，Memory Fence）是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制，控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器会根据内存屏障的规则禁止重排序。

内存屏障可以被分为以下几种类型
LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。

有的处理器的重排序规则较严，无需内存屏障也能很好的工作，Java编译器会在这种情况下不放置内存屏障。
为了实现上一章中讨论的JSR-133的规定，Java编译器会这样使用内存屏障。

内容来自美团网技术博客