从volatile讲起

我们都知道Java中volatile关键字有一个重要的作用：

  • 禁止指令重排序：有时候CPU会对指令进行重排序来达到提高执行效率的目的

那么到底什么是指令重排序，为什么重排序之后就可以提高执行效率？我们一起来学习和探讨一下。

CPU指令的执行

一条CPU指令的执行阶段(这里只讨论五级指令流水线)：

  • IF(Instruction Fetch)：取指令，从主存中将一条指令取到指令寄存器
  • ID(Instruction Decoded)：指令译码，按照预定格式对取回的指令进行拆分和解释
  • EX(Execute)：执行指令，实现指令的具体操作
  • MEM(Memory Access)：访问存储器取数据，根据指令，访问内存读取操作数用于运算或者将数据写入到存储器
  • WB(Write Back)：结果写回，将指令执行阶段运算结果写回存储器，如CPU寄存器，主存

非流水线和流水线CPU在10个时钟周期内分别可以执行的指令比较

非流水线CPU

首先来看非流水线CPU的情况

image.png

可以看到，在十个时钟周期内，非流水线CPU完整执行了两条CPU指令，执行新的指令前必须等待上一条指令执行完成

流水线CPU

接下来看流水线CPU的情况

image.png

可以看到，在十个时钟周期内，流水线CPU完整执行了指令1-6，还有指令7-10正在执行中

流水线CPU在执行指令方面会比非流水线CPU效率更高，现代CPU基本都采用流水线方式，但是流水线不是越长越好，流水线增加会导致单条指令的执行速度变慢

Java代码的CPU指令重排序

例如有如下Java代码

int c = a + b;
int d = f - e;

其对应的CPU指令执行时序如下

image.png

图中有些时钟周期对应的内容为×，比如ADD Rc, Ra, Rb这条指令对应的cycle5为×，表示此时该指令在此处停顿了，原因了指令需要的数据Rb还没有被处理完成，当前指令无法获取到Rb的内容，这一停顿导致了后面所有指令都需要停顿一个时钟周期

CPU可以发现这种停顿，通过乱序执行部件(Out-of-Order core)对其进行优化，尽量指令的执行可以顺利进行而不用停顿：在这里CPU可能会将指令LW Rf, f和LW Rc, c和前面的指令进行重排序，重排序后的执行时序如下

image.png

经过CPU重排序优化后，整个指令的执行时间从14个时钟周期变为了12个时钟周期

总结

CPU不是随随便便对指令进行重排序，而是真的会优化执行效率

参考资料