為什么要指令重排序？

Eastboat 發(fā)布于2019-08-15 17:59 / 3470人閱讀

摘要：那么我們就應(yīng)該問(wèn)問(wèn)為啥要用指令重排序呢生活類比我們從生活中舉個(gè)例子，假設(shè)你有一箱紅紙，現(xiàn)在要你剪成小紅花貼在窗上。

我們知道java在運(yùn)行的時(shí)候有兩個(gè)地方可能用到重排序，一個(gè)是編譯器編譯的的時(shí)候，一個(gè)是處理器運(yùn)行的時(shí)候。
那么我們就應(yīng)該問(wèn)問(wèn)為啥要用指令重排序呢？

生活類比

我們從生活中舉個(gè)例子，假設(shè)你有一箱紅紙，現(xiàn)在要你剪成小紅花貼在窗上。你有兩種極端的選擇：拿出來(lái)一個(gè)，把這個(gè)剪好，再貼上去......一個(gè)一個(gè)依次進(jìn)行；另一種方式是先全部拿出來(lái)，然后全部剪好，最后全部貼上去。

那種效率更高？很明顯是后者，因?yàn)榍罢吣憔托枰煌５卦谙渥樱舻逗湍z水之間切換，這個(gè)切換過(guò)程不僅浪費(fèi)時(shí)間，還耗費(fèi)精力。但是后者一直做一個(gè)工作也很無(wú)聊，還會(huì)導(dǎo)致半天了窗上一朵花都沒有，會(huì)給你帶來(lái)失落感，所以比較合適的做法就是拿出來(lái)一疊，把這一疊剪好，貼上去。這樣既不無(wú)聊，也減少了切換次數(shù)，提高了工作效率。

再想想，如果有三個(gè)人，一個(gè)負(fù)責(zé)拿，一個(gè)負(fù)責(zé)剪，一個(gè)負(fù)責(zé)貼，就更快了。

分析

編譯期重排序有啥好處？CPU計(jì)算的時(shí)候要訪問(wèn)值，如果常常利用到寄存器中已有的值就不用去內(nèi)存讀取了，比如說(shuō)

int a = 1;
int b = 1;
a = a + 1;
b = b +1 ;

就可能沒有

int a = 1;
a = a + 1;
int b = 1;
b = b +1 ;

性能好，因?yàn)楹笳呖梢?a或b可能在寄存器中了。

處理器為啥要重排序？因?yàn)橐粋€(gè)匯編指令也會(huì)涉及到很多步驟，每個(gè)步驟可能會(huì)用到不同的寄存器，CPU使用了流水線技術(shù)，也就是說(shuō)，CPU有多個(gè)功能單元（如獲取、解碼、運(yùn)算和結(jié)果），一條指令也分為多個(gè)單元，那么第一條指令執(zhí)行還沒完畢，就可以執(zhí)行第二條指令，前提是這兩條指令功能單元相同或類似，所以一般可以通過(guò)指令重排使得具有相似功能單元的指令接連執(zhí)行來(lái)減少流水線中斷的情況。

我們寫一段代碼來(lái)試試：

package *****;

/**
 * reorder
 * @author Mageek Chiu
 * @date 2018/5/25 0025:12:49
 */
public class ReOrder {

    public int value ;

    private ReOrder(int value) {
        this.value = value;
    }

    public static void main(String... args){
        ReOrder reOrder = new ReOrder(111);
        ReOrder reOrder1 = new ReOrder(222);
        ReOrder reOrder2 = new ReOrder(333);
        System.out.println(add1(reOrder,reOrder1,reOrder2));
    }

    static int add1(ReOrder reOrder,ReOrder reOrder1,ReOrder reOrder2){
        int result = 0;

        result += reOrder.value;
        result += reOrder1.value;
        result += reOrder2.value;//***

        result += reOrder.value;
        result += reOrder1.value;
        result += reOrder2.value;

        result += reOrder.value;
        result += reOrder1.value;
        result += reOrder2.value;

        return result;

    }

}

運(yùn)行結(jié)果中：

 # {method} {0x000000001c402c80} "add1" "(*****/ReOrder;*****/ReOrder;*****/ReOrder;)I" in "*****/ReOrder"
  # parm0:    rdx:rdx   = "*****/ReOrder"
  # parm1:    r8:r8     = "*****/ReOrder"
  # parm2:    r9:r9     = "*****/ReOrder"
  #           [sp+0x20]  (sp of caller)
  0x00000000032a86c0: mov     dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
  0x00000000032a86c7: push    rbp
  0x00000000032a86c8: sub     rsp,10h           ;*synchronization entry
                                                ; - *****.ReOrder::add1@-1 (line 24)

  0x00000000032a86cc: mov     r11d,dword ptr [rdx+0ch]
                                                ;*getfield value
                                                ; - *****.ReOrder::add1@4 (line 26)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x00000000032a86ff
  0x00000000032a86d0: mov     r10d,dword ptr [r8+0ch]  ;*getfield value
                                                ; - *****.ReOrder::add1@11 (line 27)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x00000000032a870d
  0x00000000032a86d4: mov     r9d,dword ptr [r9+0ch]  ;*getfield value
                                                ; - *****.ReOrder::add1@18 (line 28)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x00000000032a8719
  0x00000000032a86d8: mov     eax,r11d
  0x00000000032a86db: add     eax,r10d
  0x00000000032a86de: add     eax,r9d
  0x00000000032a86e1: add     eax,r11d
  0x00000000032a86e4: add     eax,r10d
  0x00000000032a86e7: add     eax,r9d
  0x00000000032a86ea: add     eax,r11d
  0x00000000032a86ed: add     eax,r10d
  0x00000000032a86f0: add     eax,r9d           ;*iadd

也就是先用mov把方法里面所需要的三個(gè)value加載了，再統(tǒng)一用add進(jìn)行加法運(yùn)算。

現(xiàn)在我們把//***哪一行注釋掉，運(yùn)行結(jié)果如下：

[Constants]
  # {method} {0x000000001c052c78} "add1" "(*****/ReOrder;*****/ReOrder;*****/ReOrder;)I" in "*****/ReOrder"
  # parm0:    rdx:rdx   = "*****/ReOrder"
  # parm1:    r8:r8     = "*****/ReOrder"
  # parm2:    r9:r9     = "*****/ReOrder"
  #           [sp+0x20]  (sp of caller)
  0x0000000002f47d40: mov     dword ptr [rsp+0ffffffffffffa000h],eax
  0x0000000002f47d47: push    rbp
  0x0000000002f47d48: sub     rsp,10h           ;*synchronization entry
                                                ; - *****.ReOrder::add1@-1 (line 24)

  0x0000000002f47d4c: mov     r11d,dword ptr [rdx+0ch]
                                                ;*getfield value
                                                ; - *****r.ReOrder::add1@4 (line 26)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x0000000002f47d7c
  0x0000000002f47d50: mov     r10d,dword ptr [r8+0ch]  ;*getfield value
                                                ; - *****.ReOrder::add1@11 (line 27)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x0000000002f47d89
  0x0000000002f47d54: mov     r9d,dword ptr [r9+0ch]  ;*getfield value
                                                ; - *****::add1@32 (line 32)
                                                ; implicit exception: dispatches to 0x0000000002f47d95
  0x0000000002f47d58: mov     eax,r11d
  0x0000000002f47d5b: add     eax,r10d
  0x0000000002f47d5e: add     eax,r11d
  0x0000000002f47d61: add     eax,r10d
  0x0000000002f47d64: add     eax,r9d
  0x0000000002f47d67: add     eax,r11d
  0x0000000002f47d6a: add     eax,r10d
  0x0000000002f47d6d: add     eax,r9d           ;*iadd

依然是先把所有value都用mov指令加載后再進(jìn)行加法運(yùn)算。
總結(jié)起來(lái)就是不管代碼里這個(gè)值使用順序多靠后，都先用mov加載后再使用add對(duì)這個(gè)值進(jìn)行運(yùn)算。

注意，上面的運(yùn)行參數(shù)為-Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:CompileCommand=print,*ReOrder.add1 -XX:+PrintCompilation。
Xcomp 含義是使用編譯模式而不是解釋模式， -XX:CompileCommand=print,*ReOrder.add1表示只打印這個(gè)方法，-XX:+PrintCompilation表示打印方法名稱。
需要插件hsdis，編譯好后放在jdk的jre的bin的server中就好，具體環(huán)境搭建可以參閱這里

分析不對(duì)的地方請(qǐng)輕拍。
訪問(wèn)原文