指令重排序

指令概念

指令是指示计算机执行某种操作的命令，如：数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令。指令不同于我们所写的代码，一行代码按照操作的逻辑可以分成多条指令。

举个例子：int a = 1; 这段代码大致可以分为两条指令：1.加载常量1；2.将常量1赋值给变量a。

指令重排序

只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致，这个过程就叫做指令的重排序。

指令重排序的意义：使指令更加符合 CPU 的执行特性，最大限度的发挥机器的性能，提高程序的执行效率。

指令重排序分类

指令重排序主要分为三种，在这里主要讨论 JVM 中的指令重排序。

1. 编译器重排序：JVM 中完成
2. 指令级并行重排序
3. 处理器重排序：CPU 中完成

指令重排序原则

如果程序中操作A在操作B之前，那么线程中操作A将在操作B之前执行。（只对指令内部重排序，不在指令间重排序）

• As-If-Serial语义

不管怎么进行指令重排序，单线程内程序的执行结果不能被改变。

编译器和处理器对存在依赖关系的操作都不会对其进行重排序。只有不存在依赖关系的操作有可能进行重排序。

Happens-Before原则

保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。

对于被同步的操作，如果操作 A 先于操作 B，那么 A 操作的执行结果将对 B 操作可见，而且 A 操作的执行顺序排在 B 操作之前。

管理锁定规则：一个unlock操作happen—before后面（时间上的先后顺序）对同一个锁的lock操作。 （如果线程1解锁了monitor a，接着线程2锁定了a，那么，线程1解锁a之前的写操作都对线程2可见（线程1和线程2可以是同一个线程））

防止指令重排序

volatile关键字通过“内存屏障”来防止指令被重排序。

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

Java内存模型采取保守策略（见缝就插）

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

Synchronized 把多线程执行环境改变为单线程执行环境，无需关心指令重排序（单线程执行结果不会改变）。