noble510520 阅读(25) 评论(0)

 源代码和Runtime时执行的代码很可能不一样,这是因为编译器、处理器常常会为了追求性能对改变执行顺序。然而改变顺序执行很危险,很有可能使得运行结果和预想的不一样,特别是当重排序共享变量时。

 从源代码到Runtime需要经过三步的重排序:

重排序过程

编译器重排序

 为了提高性能,在不改变单线程的执行结果下,可以改变语句执行顺序。

 比如尽可能的减少寄存器的读写次数,充分利用局部性。像下面这段代码这样,交替的读x、y,会导致寄存器频繁的交替存储x和y,最糟的情况下寄存器要存储3次x和3次y。如果能让x的一系列操作一块做完,y的一块做完,理想情况下寄存器只需要存储1次x和1次y。

//优化前
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int b1 = y * 1;
int a2 = x * 2;
int b2 = y * 2;
int a3 = x * 3;
int b3 = y * 3;

//优化后
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int a2 = x * 2;
int a3 = x * 3;
int b1 = y * 1;
int b2 = y * 2;
int b3 = y * 3;

指令重排序

 指令重排序是处理器层面做的优化。处理器在执行时往往会因为一些限制而等待,如访存的地址不在cache中发生miss,这时就需要到内存甚至外存去取,然而内存和外区的读取速度比CPU执行速度慢得多。

 早期处理器是顺序执行(in-order execution)的,在内存、外存读取数据这段时间,处理器就一直处于等待状态。现在处理器一般都是乱序执行(out-of-order execution),处理器会在等待数据的时候去执行其他已准备好的操作,不会让处理器一直等待。

 满足乱序执行的条件:

  1. 该缓存的操作数缓存好
  2. 有空闲的执行单元

 对于下面这段汇编代码,操作1如果发生cache miss,则需要等待读取内存外存。看看有没有能优先执行的指令,操作2依赖于操作1,不能被优先执行,操作3不依赖1和2,所以能优先执行操作3。
所以实际执行顺序是3>1>2

LDR R1, [R0];//操作1
ADD R2, R1, R1;//操作2
ADD R3, R4, R4;//操作3

内存系统重排序

 由于处理器有读、写缓存区,写缓存区没有及时刷新到内存,造成其他处理器读到的值不是最新的,使得处理器执行的读写操作与内存上反应出的顺序不一致

 如下面这个例子,可能造成处理器A读到的b=0,处理器B读到的a=0。A1写a=1先写到处理器A的写缓存区中,此时内存中a=0。如果这时处理器B从内存中读a,读到的将是0。

 以处理器A来说,处理器A执行的顺序是A1>A2>A3,但是由于写缓存区没有及时刷新到内存,所以实际顺序为A2>A1>A3。

初始化:
a = 0;
b = 0;

处理器A执行
a = 1; //A1
read(b); //A2

处理器B执行
b = 2; //B1
read(a); //B2

处理器和内存的交互

阻止重排序

 不论哪种重排序都可能造成共享变量中线程间不可见,这会改变程序运行结果。所以需要禁止对那些要求可见的共享变量重排序。

  • 阻止编译重排序:禁止编译器在某些时候重排序。
  • 阻止指令重排序和内存系统重排序:使用内存屏障或Lock前缀指令