文章目录

简介
指令重排的危害
内存屏障(Memory Barrier)
- 机器层面(了解)
- JVM层面
验证volatile禁止指令重排
- 程序执行会出现指令重排
- 结论
- 解决指令重排
代码方式增加禁止指令重排
参考资料

简介

之前博客中说到并发编程三要素、volatile无法保证原子性、volatile保证可见性以及指令重排。本篇博客重点说明volatile是如何禁止指令重排优化的。

之前说到，volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制。被volatile 关键字修饰的共享变量，对所有线程总数是可见的。

当一个线程修改了被volatile修饰的共享变量的值，新值总是会被其他线程感知。

除此之外，volatile还能禁止计算机的指令重排优化。

指令重排的危害

指令重排是计算机对命令执行效率的一种优化，但在有些时候，指令重排可能会带来某些意想不到的危害。

单利模式相信很多人都写过，就像下列懒汉式单利：

/*** 单例模式*/
public class SingleTest {// 类中提供实例对象private static SingleTest singleTest = null;// 构造方法私有，对外不允许采取new实例化对象private SingleTest() {}// 内部提供该类的实例化方式public static SingleTest getInstance(){if(singleTest == null){singleTest = new SingleTest();}return singleTest;}
}

上面的案例只是一个简单的单利模式，在单线程应用中并不会出现异常问题，如果是高并发环境下呢？

多个线程同时进入到getInstance()方法中，都同时判断到singleTest对象为空，都会执行下列的实例化操作逻辑。
导致单例模式不在是真正意义上的单例模式。

为了避免在并发环境下，多线程也能创建和使用单例，通常针对上述案例，需要增加锁。比如增加java.util.concurrent.locks.Lock或者synchronized等。

当前，只采取synchronized进行说明，修改后的代码案例如下所示：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;/*** 单例模式*/
@Slf4j
public class SingleTest {// 类中提供实例对象private static SingleTest singleTest = null;// 构造方法私有，对外不允许采取new实例化对象private SingleTest() {}// 内部提供该类的实例化方式public static SingleTest getInstance(){// 初步判断if(singleTest == null){synchronized (SingleTest.class){// 加锁后再次判断if(singleTest == null){singleTest = new SingleTest();}}}return singleTest;}
}

添加了synchronized关键字后的当前单例模式相比之前的单利类而言，安全了很多。但在多线程环境下，依旧有极低几率出现创建多个对象的现象。

原因在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的instance不为null时，instance的引用对象可能没有完成初始化。

【疑问：】为什么依旧会出现上述情况？
这个问题的根源，还需要从实例化SingleTest类的过程来分析。

在Java代码执行前，需要经过编译成机器可识别的命令，在对象的创建中，大致分为三步操作，查看字节码文件。

// 观察一个类在创建时的过程
class Tests{public static void main(String[] args) {new Object();}
}

javap -c Tests.class

大致步骤如下所示：

1、在内存中对待实例化的对象，分配空间。
2、初始化对象。
3、将空间的地址赋值给引用的变量。

伪代码如下：

memory = allocate();//1.分配对象内存空间
instance(memory);//2.初始化对象
singleTest = memory;//3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时singleTest ！=null

在高并发环境下，多个线程同时调用一个单利类的实例化方式，计算机为了提高cpu执行效率，可能会在步骤1和步骤2中进行指令重排。重排后的伪代码如下所示：

memory = allocate();//1.分配对象内存空间
singleTest = memory;//3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时singleTest ！=null，但是对象还未进行初始化操作
instance(memory);//2.初始化对象

在单线程环境下，步骤2和步骤3之间不存在数据依赖关系，无论重排前还是重排后，其执行结果是不会改变，是允许的。

但是，指令重排，只会保证串行语句执行的一致性；
并不会关心多线程间的语义一致性。

所以，在多线程环境下，当某一条线程访问到singleTest != null时，由于instance(memory)此时并未初始化完成，当其他线程获取到singleTest != null 时，假设调用该实例对象中的某个方法时，就会出现报错！

只是申请了空间，但还未给这块空间中注入该类的一些信息。如：成员变量、成员方法。
还只是一块空的空间。

【总结：】必须加volatile修饰！
所以此时为了解决上述指令重排带来的问题，必须在共享变量上增加volatile 关键字来禁止计算机的指令重排操作。

修改后的案例如下所示：

private volatile static SingleTest singleTest = null;

那么，volatile是如何保证禁止计算机指令重排优化的呢？

首先需要了解一个概念：内存屏障(Memory Barrier)。

内存屏障(Memory Barrier)

机器层面(了解)

在Intel硬件提供了一系列内存屏障，主要有：

1、lfence，是一种Load Barrier 读屏障
2、sfence, 是一种Store Barrier 写屏障
3、mfence, 是一种全能型的屏障，具备ifence和sfence的能力
4、 Lock前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。
Lock会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级的一种锁。它后面可以跟ADD,ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR,SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

JVM层面

不同的硬件实现内存屏障的方式不同，但JMM屏蔽了这种底层硬件平台的差异。由JVM针对不同的平台生成对应的机器码。

其中，JVM 提供了四类内存屏障指令：

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1; `LoadLoad`; Load2	load1读操作与load2读操作，不允许重排。 (load2不能放在load1之前执行)
StoreStore	Store1;`StoreStore`; Store2	第一个写store1，与第二个写store2之间不允许重排。 (store2不能在store1之前执行)
LoadStore	Load1;`LoadStore`; Store2	写入操作，不能在读操作之前执行
StoreLoad	Store1; `StoreLoad`; Load2	读操作，不能在写操作之前执行

验证volatile禁止指令重排

程序执行会出现指令重排

编写Java代码，测试是否会出现指令重排，案例如下所示：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j
public class CodeReorder {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;for (;;){ // 这是一个死循环i++;x = 0; y = 0;a = 0; b = 0;Thread t1 = new Thread(new Runnable() {public void run() {shortWait(10000);a = 1;x = b;}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {public void run() {b = 1;y = a;}});// 开启线程t1.start();t2.start();// 等待各自的线程销毁t1.join();t2.join();// 输出此时的赋值信息，并进行下一轮循环// 不考虑指令重排String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";if(x == 0 && y == 0) {System.out.println(result);break;} else {log.info(result);}}}/*** 等待一段时间，时间单位纳秒* @param interval*/public static void shortWait(long interval){long start = System.nanoTime();long end;do{end = System.nanoTime();}while(start + interval >= end);}
}

上述的代码中，针对初始变量信息包含x、y、a、b。且初始值都为0。

使用死循环，执行多个操作，分别对上述共享变量进行赋值操作，并在线程死亡时，输出当前已赋值的信息。

不考虑指令重排的前提下，上述执行结果可能会有以下几种类型：

线程是有中断现象的。

1、线程1先执行，线程2后执行
2、线程2先执行，线程1后执行
3、线程1先执行，但中断了，线程2开始执行，线程2执行完成后，线程1恢复继续执行。

如果上述代码在执行时，不会出现指令重排时，结果不会出现x = 0; y = 0 ;的现象。

如果出现了x = 0; y = 0 ;，则表示程序在执行时，会被指令重排！

执行上述代码，查看返回结果信息，如下所示：

结论

程序在并发情况，执行过程中会出现指令重排现象！

解决指令重排

只需要在共享变量前，添加volatile 关键字修饰即可，如下所示：

代码方式增加禁止指令重排

在使用volatile关键字修饰共享变量时，JVM会自动向程序中添加内存屏障的方式，禁止指令重排。

除了采取volatile让JVM自动处理之外，也能通过手动增加代码的方式，避免程序在执行时，CPU对其进行指令重排优化操作。

在Java中，有一个sun.misc.Unsafe类，可以使用其进行手动添加内存屏障来解决。

其中，供使用的方法有如下几种：

由于这个类是一个单利模式的类。

并不能直接通过new Unsafe()的方式获取其实例化对象，只能通过反射获取。其获取方式如下所示：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;public class UnsafeInstance {public static Unsafe reflectGetUnsafe() {try {// 根据属性名称获取具体的属性Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");// 去除校验field.setAccessible(true);// 返回该属性的具体值return (Unsafe) field.get(null);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return null;}}

然后，在具体需要防止执行重排的代码之间添加如下代码即可：

UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().fullFence();

如图：

参考资料

java.lang.reflect.Field.get()方法示例

java反射知识总结(只针对使用)

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