Hotspot JIT 编译器是否有任何可以重现的指令重新排序？

Question

我们知道，一些 JIT 允许对对象初始化重新排序，例如，

someRef = new SomeObject();

可以分解为以下步骤：

objRef = allocate space for SomeObject; //step1
call constructor of SomeObject;         //step2
someRef = objRef;                    //step3

JIT 编译器可能会重新排序如下：

objRef = allocate space for SomeObject; //step1
someRef = objRef;                    //step3
call constructor of SomeObject;         //step2

即step2和step3可以被JIT编译器重新排序。 尽管这在理论上有效重新排序，但我无法在 x86 平台下使用 Hotspot(jdk1.7) 重现它。

那么，Hotspot JIT 编译器是否有任何可以重现的指令重新排序？

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更新： 我使用以下命令在我的机器（Linux x86_64，JDK 1.8.0_40，i5-3210M）上执行了test：

java -XX:-UseCompressedOops -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:CompileCommand="print org.openjdk.jcstress.tests.unsafe.UnsafePublication::publish" -XX:CompileCommand="inline, org.openjdk.jcstress.tests.unsafe.UnsafePublication::publish" -XX:PrintAssemblyOptions=intel -jar tests-custom/target/jcstress.jar -f -1 -t .*UnsafePublication.* -v > log.txt 

我可以看到该工具报告了以下内容：

[1] 5 ACCEPTABLE 对象已发布，至少有 1 个字段可见。

这意味着观察者线程看到了一个未初始化的 MyObject 实例。

但是，我没有看到像@Ivan 那样生成的汇编代码：

0x00007f71d4a15e34: mov r11d,DWORD PTR [rbp+0x10] ;getfield x 
0x00007f71d4a15e38: mov DWORD PTR [rax+0x10],r11d ;putfield x00 
0x00007f71d4a15e3c: mov DWORD PTR [rax+0x14],r11d ;putfield x01 
0x00007f71d4a15e40: mov DWORD PTR [rax+0x18],r11d ;putfield x02 
0x00007f71d4a15e44: mov DWORD PTR [rax+0x1c],r11d ;putfield x03 
0x00007f71d4a15e48: mov QWORD PTR [rbp+0x18],rax ;putfield o

这里似乎没有编译器重新排序。

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更新2： @Ivan 纠正了我。我使用错误的 JIT 命令来捕获汇编代码。修复此错误后，我可以获取以下汇编代码：

0x00007f76012b18d5: mov    DWORD PTR [rax+0x10],ebp  ;*putfield x00
0x00007f76012b18d8: mov    QWORD PTR [r8+0x18],rax  ;*putfield o
                                                ; - org.openjdk.jcstress.tests.unsafe.generated.UnsafePublication_jcstress$Runner_publish::call@94 (line 156)
0x00007f76012b18dc: mov    DWORD PTR [rax+0x1c],ebp  ;*putfield x03

显然，编译器进行了重新排序，导致发布不安全。

Answer 1

您可以重现任何编译器重新排序。正确的问题是——为此使用哪种工具。为了查看编译器重新排序 - 您必须使用 JITWatch（因为它使用 HotSpot 的程序集日志输出）或使用 LinuxPerfAsmProfiler 的 JMH 跟踪到程序集级别。

让我们考虑以下基于 JMH 的基准：

public class ReorderingBench {

    public int[] array = new int[] {1 , -1,  1, -1};
    public int sum = 0;

    @Benchmark
    public void reorderGlobal() {
        int[] a = array;
        sum += a[1];
        sum += a[0];
        sum += a[3];
        sum += a[2];
    }

    @Benchmark
    public int reorderLocal() {
        int[] a = array;
        int sum = 0;
        sum += a[1];
        sum += a[0];
        sum += a[3];
        sum += a[2];
        return sum;
    }
}

请注意，数组访问是无序的。在我的机器上，带有全局变量sum 汇编器输出的方法是：

mov    0xc(%rcx),%r8d         ;*getfield sum
...
add    0x14(%r12,%r10,8),%r8d ;add a[1]
add    0x10(%r12,%r10,8),%r8d ;add a[0]
add    0x1c(%r12,%r10,8),%r8d ;add a[3]
add    0x18(%r12,%r10,8),%r8d ;add a[2]

但是对于带有局部变量sum的方法的访问模式被改变了：

mov    0x10(%r12,%r10,8),%edx ;add a[0] <-- 0(0x10) first
add    0x14(%r12,%r10,8),%edx ;add a[1] <-- 1(0x14) second
add    0x1c(%r12,%r10,8),%edx ;add a[3]
add    0x18(%r12,%r10,8),%edx ;add a[2]

你可以玩c1编译器优化c1_RangeCheckElimination

更新：

从用户的角度来看，仅看到编译器重新排序是非常困难的，因为您必须运行数十亿个样本才能捕捉到不雅行为。此外，将编译器和硬件问题分开也很重要，例如，像 POWER 这样的弱排序硬件可以改变行为。让我们从正确的工具开始：jcstress - 一个实验性工具和一套测试，以帮助研究 JVM、类库和硬件中并发支持的正确性。 Here 是一个复制器，指令调度程序可能决定发出一些字段存储，然后发布引用，然后发出其余的字段存储（您也可以阅读安全发布和指令调度here）。在某些情况下，在我的机器上使用 Linux x86_64、JDK 1.8.0_60、i5-4300M 编译器会生成以下代码：

mov    %edx,0x10(%rax)    ;*putfield x00                    
mov    %edx,0x14(%rax)    ;*putfield x01
mov    %edx,0x18(%rax)    ;*putfield x02
mov    %edx,0x1c(%rax)    ;*putfield x03
...
movb   $0x0,0x0(%r13,%rdx,1)  ;*putfield o

但有时：

mov    %ebp,0x10(%rax)    ;*putfield x00
...
mov    %rax,0x18(%r10)    ;*putfield o  <--- publish here
mov    %ebp,0x1c(%rax)    ;*putfield x03
mov    %ebp,0x18(%rax)    ;*putfield x02
mov    %ebp,0x14(%rax)    ;*putfield x01

更新 2：

关于性能优势的问题。在我们的例子中，这种优化（重新排序）并没有带来有意义的性能优势，它只是编译器实现的副作用。 HotSpot 使用sea of nodes 图对数据和控制流进行建模（您可以阅读有关基于图的中间表示here）。下图显示了我们示例的 IR 图（-XX:+PrintIdeal -XX:PrintIdealGraphLevel=1 -XX:PrintIdealGraphFile=graph.xml options + ideal graph visualizer）： 其中节点的输入是节点操作的输入。每个节点根据其输入和操作定义一个值，并且该值在所有输出边上都可用。很明显，编译器看不到指针和整数存储节点之间的任何区别，因此唯一限制它的就是内存屏障。结果，为了减少寄存器压力，目标代码大小或其他编译器决定以这个奇怪（从用户的角度来看）顺序在基本块内调度指令。您可以使用以下选项（在 fastdebug build 中可用）在 Hotspot 中使用指令调度：-XX:+StressLCM 和 -XX:+StressGCM。