一个 println 竟然比 volatile 还好使？

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2024-05-23 22:28 67阅读 0赞

## 一个 println 竟然比 volatile 还好使？ ##

*  Effective JAVA 里的并发章节里，有一段关于可见性的描述。下面这段代码会出现死循环，这个我能理解，JMM 内存模型嘛，JMM 不保证 stopRequested 的修改能被及时的观测到。
 *      static boolean stopRequested = false;
        
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
                int i = 0;
                while (!stopRequested) {
                    i++;
                }
            }) ;
            backgroundThread.start();
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
            stopRequested = true ;
        }
 *  但奇怪的是在我加了一行打印之后，就不会出现死循环了！难道我一行 println 能比 volatile 还好使啊？这俩也没关系啊
 *      static boolean stopRequested = false;
        
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
                int i = 0;
                while (!stopRequested) {
                    
                    // 加上一行打印，循环就能退出了！
                	System.out.println(i++);
                }
            }) ;
            backgroundThread.start();
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
            stopRequested = true ;
        }
 *  这个……其实是 JIT 干的好事，导致你的循环无法退出。JMM 只是一个逻辑上的内存模型规范，JIT可以根据JMM的规范来进行优化。 用`-Xint`禁用 JIT，就可以退出死循环了

### JIT（Just-in-Time） 的优化 ###

*  众所周知，JAVA 为了实现跨平台，增加了一层 JVM，不同平台的 JVM 负责解释执行字节码文件。虽然有一层解释会影响效率，但好处是跨平台，字节码文件是平台无关的。
 *  ![在这里插入图片描述][40b1f837e6ec47e69705b6da2cde147a.png]
 *  在 JAVA 1.2 之后，增加了 **即时编译（Just-in-Time Compilation，简称 JIT）** 的机制，在运行时可以将执行次数较多的热点代码编译为机器码，这样就不需要 JVM 再解释一遍了，可以直接执行，增加运行效率。
 *  ![在这里插入图片描述][5a4c5125222d43feb7aa4915c35456b3.png]
 *  **但 JIT 编译器在编译字节码时，可不仅仅是简单的直接将字节码翻译成机器码**，它在编译的同时还会做很多优化，比如循环展开、方法内联等等……
 *  这个问题出现的原因，就是因为 JIT 编译器的优化技术之一 - **表达式提升（expression hoisting）** 导致的。

#### 表达式提升（expression hoisting） ####

*  先来看个例子，在这个 `hoisting` 方法中，for 循环里每次都会定义一个变量 `y`，然后通过将 x\*y 的结果存储在一个 result 变量中，然后使用这个变量进行各种操作
 *      public void hoisting(int x) {
        	for (int i = 0; i < 1000; i = i + 1) {
        		// 循环不变的计算 
        		int y = 654;
        		int result = x * y;
        		
        		// ...... 基于这个 result 变量的各种操作
        	}
        }
 *  但是这个例子里，result 的结果是固定的，并不会跟着循环而更新。所以完全可以将 result 的计算提取到循环之外，这样就不用每次计算了。JIT 分析后会对这段代码进行优化，进行表达式提升的操作：
 *      public void hoisting(int x) {
        	int y = 654;
        	int result = x * y;
            
        	for (int i = 0; i < 1000; i = i + 1) {	
        		// ...... 基于这个 result 变量的各种操作
        	}
        }
 *  这样一来，result 不用每次计算了，而且也完全不影响执行结果，大大提升了执行效率。
 *  注意，编译器更喜欢局部变量，而不是静态变量或者成员变量；因为静态变量是“逃逸在外的”，多个线程都可以访问到，而局部变量是线程私有的，不会被其他线程访问和修改。  
    
 *  编译器在处理静态变量/成员变量时，会比较保守，不会轻易优化。  
    
 *  像你问题里的这个例子中，`stopRequested`就是个静态变量，编译器本不应该对其进行优化处理；
 *      static boolean stopRequested = false;// 静态变量
        
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            Thread backgroundThread = new Thread(() -> {
                int i = 0;
                while (!stopRequested) {
        			// leaf method
                    i++;
                }
            }) ;
            backgroundThread.start();
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
            stopRequested = true ;
        }
 *  但由于你这个循环是个 `leaf method`，即没有调用任何方法，所以在循环之中不会有其他线程会观测到`stopRequested`值的变化。那么编译器就冒进的进行了**表达式提升**的操作，将`stopRequested`提升到表达式之外，作为循环不变量（loop invariant）处理
 *      int i = 0;
        
        boolean hoistedStopRequested = stopRequested;// 将stopRequested 提升为局部变量
        while (!hoistedStopRequested) {    
        	i++;
        }
 *  这样一来，最后将 `stopRequested`赋值为 true 的操作，影响不了提升的`hoistedStopRequested`的值，自然就无法影响循环的执行了，最终导致无法退出。
 *  至于你增加了 `println` 之后，循环就可以退出的问题。是因为你这行 println 代码影响了编译器的优化。**println 方法由于最终会调用 FileOutputStream.writeBytes 这个 native 方法，所以无法被内联优化（inling）** 。而未被内敛的方法调用从编译器的角度看是一个“full memory kill”，也就是说 **副作用不明** 、必须对内存的读写操作做**保守处理**。
 *  在这个例子里，下一轮循环的 `stopRequested` 读取操作按顺序要发生在上一轮循环的 println 之后。这里“保守处理”为：就算上一轮我已经读取了 `stopRequested` 的值，由于经过了一个**副作用不明**的地方，再到下一次访问就必须重新读取了。
 *  所以在你增加了 prinltln 之后，JIT 由于要保守处理，重新读取，自然就不能做上面的**表达式提升**优化了。

#### 表达式下沉（expression sinking） ####

*  和表达式提升类似的，还有个表达式下沉的优化，比如下面这段代码：
 *      public void sinking(int i) {
        	int result = 543 * i;
        
        	if (i % 2 == 0) {
        		// 使用 result 值的一些逻辑代码
        	} else {
        		// 一些不使用 result 的值的逻辑代码
        	}
        }
 *  由于在 else 分支里，并没有使用 result 的值，可每次不管什么分支都会先计算 result，这就没必要了。JIT 会把 result 的计算表达式移动到 if 分支里，这样就避免了每次对 result 的计算，这个操作就叫表达式下沉：
 *      public void sinking(int i) {
        	if (i % 2 == 0) {
        		int result = 543 * i;
        		// 使用 result 值的一些逻辑代码
        	} else {
        		// 一些不使用 result 的值的逻辑代码
        	}
        }

### JIT 还有那些常见优化？ ###

*  除了上面介绍的表达式提升/表达式下沉以外，还有一些常见的编译器优化机制。

#### 循环展开（Loop unwinding/loop unrolling） ####

*  下面这个 for 循环，一共要循环 10w 次，每次都需要检查条件。
 *      for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            delete(i);
        }
 *  在编译器的优化后，会删除一定的循环次数，从而降低索引递增和条件检查操作而引起的开销：
 *      for (int i = 0; i < 20000; i+=5) {
            delete(i);
            delete(i + 1);
            delete(i + 2);
            delete(i + 3);
            delete(i + 4);
        }
 *  除了循环展开，循环还有一些优化机制，比如循环剥离、循环交换、循环分裂、循环合并……

#### 内联优化（Inling） ####

*  JVM 的方法调用是个栈的模型，每次方法调用都需要一个压栈（push）和出栈（pop）的操作，编译器也会对调用模型进行优化，将一些方法的调用进行内联。
 *  内联就是抽取要调用的方法体代码，到当前方法中直接执行，这样就可以避免一次压栈出栈的操作，提升执行效率。比如下面这个方法：
 *      public  void inline(){
        	int a = 5;
            int b = 10;
            int c = calculate(a, b);
            
            // 使用 c 处理……
        }
        
        public int calculate(int a, int b){
        	return a + b;
        }
 *  在编译器内联优化后，会将 `calculate` 的方法体抽取到 `inline` 方法中，直接执行，而不用进行方法调用：
 *      public  void inline(){
        	int a = 5;
            int b = 10;
            int c = a + b;
            
            // 使用 c 处理……
        }
 *  不过这个内联优化是有一些限制的，**比如 native 的方法就不能内联优化**

#### 提前置空 ####

*  来先看一个例子，在这个例子中 `was finalized!` 会在 `done.`之前输出，这个也是因为 JIT 的优化导致的。
 *      class A {
            // 对象被回收前，会触发 finalize
            @Override protected void finalize() {
                System.out.println(this + " was finalized!");
            }
        
            public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
                A a = new A();
                System.out.println("Created " + a);
                for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++) {
                    if (i % 1_000_00 == 0)
                        System.gc();
                }
                System.out.println("done.");
            }
        }
        
        //打印结果
        Created A@1be6f5c3
        A@1be6f5c3 was finalized!//finalize方法输出
        done.
 *  从例子中可以看到，如果 `a` 在循环完成后已经不再使用了，则会出现先执行finalize的情况；虽然从对象作用域来说，方法没有执行完，栈帧并没有出栈，但是还是会被提前执行。
 *  这就是因为 JIT 认为 `a` 对象在循环内和循环后都不会在使用，所以提前给它置空了，帮助 GC 回收；如果禁用 JIT，那就不会出现这个问题。  
    
 *  这个提前回收的机制，还是有点风险的，在某些场景下可能会引起 BUG……

### HotSpot VM JIT 的各种优化项 ###

*  上面只是介绍了几个简单常用的编译优化机制，JVM JIT 更多的优化机制可以参考下面这个图。这是 OpenJDK 文档中提供的一个 pdf 材料，里面列出了 HotSpot JVM 的各种优化机制，相当多……
 *  ![在这里插入图片描述][491a3dcda8c0484a9ca72c30ae9a7cb1.png]

### 如何避免因 JIT 导致的问题？ ###

*  平时在编码的时候，不用刻意的去关心 JIT 的优化，就比如上面那个 println 问题，JMM 本来就不保证修改对其他线程可见，如果按照规范去加锁或者用 volatile 修饰，根本就不会有这种问题。
 *  而那个提前置空导致的问题，出现的几率也很低，只要你规范写代码基本不会遇到的。
 *  在日常编码过程中，不用刻意的猜测 JIT 的优化机制，JVM 也不会完整的告诉你所有的优化。而且这种东西不同版本效果不一样，就算搞明白了一个机制，可能到下个版本就会完全不一样。
 *  所以，如果不是搞编译器开发的话，JIT 相关的编译知识，作为一个知识储备就好。

[40b1f837e6ec47e69705b6da2cde147a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/23/26bb646902cb44709065b43ca8581cdb.png
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