Java多线程之 理解重排序

顺序一致性模型

什么是顺序一致性模型？简单来说就是代码的执行顺序和代码的编写顺序是一致的。这样的好处就是结果是一致正确的。这也是符合冯诺依曼体系的。但是现代的多核心处理器没有采用这种结构，因为这个模型最大的问题就是相当于没有做任何优化。导致效率是非常低的，而现代多核心处理器的优化方式就是重排序。

重排序

什么是重排序？重排序就是CPU优化代码的一种手段。替代指令的执行性能。
主要有三种类型的重排序。
1.编译器优化的重排序
2.指令级并行的重排序
3.内存系统的重排序
整个执行的过程如下图所示。

编译器优化的重排序

编译器在不改变程序在单线程环境下运行的语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。这样做的目的就是为了尽可能的减少对寄存器的读取存储次数。从而充分复用寄存器信息。

例如下面的代码。c变量依赖于a变量，在栈空间里面，当给b赋值的时候是有可能把a的值给覆盖的，当c要用到a的值的时候，需要重新获取a的值，这样效率是非常低的，能够进行的优化就是编译器直接调换b和c变量这两行的执行顺序。这样c就可以直接使用a变量的值了，从而达到优化的目的，这就是编译器优化的重排序。这样的场景是非常常见的。

int a=5;
int b=6;
int c=a+1;
1
2
3

指令级并行的重排序

这个更好理解，如果数据不存在依赖关系，可以利用CPU的多核特性并行执行。同时也可以改变指令的执行顺序。例如下面的这种代码转换成汇编后谁先谁后都无所谓。这就是指令级并行的重排序。

int a=5;
int b=6;
int c=7;
1
2
3

内存系统的重排序

处理器使用缓存和读写缓冲区，多核CPU每个核心都有自己的缓存，使得数据的加载、存储操作，看上去是乱序执行的。比如在核心1有a变量，这个变量可能在核心1缓存中被修改多次，只有最后的结果被真正的写入内容。

并发编程一个重要的原则，不要假定指令的执行顺序。

数据依赖

如果两个操作访问同一个共享变量，而且，这两个操作里面有一个为写操作，那么这两个操作之间就存在数据依赖性。例如下面的代码，两行代码就那么重排序，因为存在数据依赖。

int a=5;
int b=a+1;
1
2

数据依赖可分为三种类型：
1.读后写：

int a=b;
b=1;
1
2

2.写后写

int a=5;
a=6;
1
2

3.写后读

int a=5;
int b=a;
1
2

也就是说，只要对于同一个变量有两个操作只要有一个是写的情况，就不能重排序。
具有数据依赖性的指令是不会被重排序的。

as-if-serial语义

不管有没有重排序，也不关系如何进行重排序，单线程环境下，程序的执行结果不会被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
也就是说，重排序只在多线程才会存在，单线程是不会重排序的。