有序性问题

通过上篇文章我们得知程序在CPU中是以指令的形式执行的。
本篇文章有序性问题也称cpu指令重排序

1.CPU指令重排序

在CPU缓存优化过程中引入了StoreBuffer，虽说优化了性能，但也出现了新的问题，先看一段代码

    static int x = 0, y = 0;
    static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;y = 0;a = 0;b = 0;
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                a = 1;
                x = b;
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
            });
            t1.start();t2.start();
            t1.join();t2.join();
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.out.println("第" + i + "次:x=" + x + ",y=" + y);
                break;
            }
        }
    }
	//我电脑上执行
	第161581次:x=0,y=0

仔细看上诉代码，正常来说只有三个结果：[10],[01],[11]，但是为什么会出现[00]呢？
这就是典型的指令重排序了，等于执行时变成了 x = b;a = 1; y = a;b = 1;了

2.怎么导致重排序的

//例如这段代码
int a = 0;
function(){
	a = 1;
	b = a+1;
	assert(b == 2); //false
}
//指令重排序
b = a+1;
a = 1;

• 再看一张图讲解
  

多线程情况下步骤讲解：

1. CPU0执行a = 1，发现并没有加载a，a在共享状态下(CPU1和CPU2下共享)，需要把其他CPU的缓存读取过来并置为失效状态，最终完成后也就到了第二步a=0/E，此时a在其他CPU处于失效状态，所以在CPU1下是独占状态。
2. 由于是store buffer同步到cache是必须要等待到其他CPU都同步完成才会继续，可能存在的情况是先执行到b=a+1了，此时b没有被加载，所以b=0/E是独占状态，接下来第4步，此时a还在异步等待，b就变成b=0+1 -> b=1/M修改状态
3. 最后第5步a终于执行完毕再设置a=1，但此时b=a+1已经执行完毕，所以就导致了指令重排序问题

3.CPU性能优化博弈图

进行再次优化，引入了 invalidate queue 失效队列，但由于失效队列是异步处理的，还是会有此问题存在，此问题CPU层面已无法解决，于是提供内存屏障指令，由开发者根据需求使用

5.怎么解决指令重排序

加入内存屏障其实也就是#Lock指令，它既能实现缓存锁/总线锁也能实现内存屏障

内存屏障

1.什么是内存屏障

为什么需要开发者实现？因为CPU层面不知道什么时候允许优化，什么时候不允许优化

• 读屏障(lfence) load 读操作必须在写操作之前完成
• 写屏障(sfence)
• 全屏障(mfence)

在liunx上分别对应方法

• smp_rmb
• smp_wmb
• smp_mb

接下来看这个代码

int a = 0;
function(){
	a = 1;
    //读屏障 b=a+1 必须要在a=1之后执行
    smp_rmb();
	b = a+1;
	assert(b == 2); //false
}

为此定义了一种抽象模型，即JMM模型

2.JMM内存屏障模型

JAVA线程去访问内存的一个规范，它是一种抽象模型，解决有序性可见性问题(关键字)

不同的CPU架构不同的汇编指令，这个就是对不同操作操作系统添加内存屏障的封装，提供以下方法，具体源码在hotspot中的orderAccess_操作系统中实现

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad Barriers	Load1;LoadLoad;Load2	确保Load1数据装载优先于Load2及所有后续的装载指令
StoreStore Barriers	Store1;LoadLoad;Store2	确保Store1数据刷新到内存优先于Store2及所有后续的存储指令
LoadStore Barriers	Load1;LoadLoad;Store2	确保Load1数据装载优先于Store2刷新到内存指令及所有后续的存储指令
StoreLoad Barriers	Store1;LoadLoad;Load2	确保Store1数据刷新到内存优先于Load2及所有后续的装载指令

3.happends-before规则

1. 程序顺序型规则 ，单线程执行结果一定不会发生变化
2. 传递性规则，a happends before b，b happends before c，a happends before c
3. volatile规则
4. 监视器规则，锁的释放一直在执行结果之后
5. start规则，线程启动之前的数值，在线程执行后一定是新的数值，不存在可见性问题
6. join规则，线程执行结果一定在这个之前
   happends-before规则就是为了描述可见性规则

线程安全性中的可见性和有序性总结

可见性导致的问题

• CPU高速缓存
• 指令重排序

使用synchronized volatile finanl关键字加锁保证可见性。
提供内存屏障指令，保证程序不会出现可见性，有序性问题

以上就是本章的全部内容了。

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云想衣裳花想容，春风拂槛露华浓

标签：屏障,线程,指令,有序性,排序,CPU,内存
来源： https://blog.csdn.net/qq_35551875/article/details/121655685