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）。