java_乱序执行

什么是乱序执行

　　CPU运行的时候，是按照指令一条一条执行的。CPU速度特别快，但是CPU从内存去取数据的话，会很慢。这时候，就可能出现后来的指令要比先到的指令先执行的情况，例如：现在给CPU两条指令 ，两个指令没有关系。第一条指令从内存读数据。需要等待很长时间，那么在等待内存的过程中，会先执行指令2。然后等数据到了以后，然后执行指令1。看起来就是指令2 比指令1先执行。这些乱序执行，是CPU自动优化的结果，可以提高效率。而且如果第二条指令依赖第一条指令，不会发生指令乱序执行。

　　乱序执行的测试代码：

/**
 * 指令重排序验证,在这个案例代码中，可能出现场景如下：
 * 1.one线程执行完毕后执行other 线程结果：a=1,x=0;b=1,y=1; xy值为：01组合
 * 2.other线程执行完毕后执行one 线程结果：a=1,x=1;b=1,y=0; xy值为：10组合
 * 3.other线程和one线程同时执行 线程结果：a=1,x=1;b=1,y=1; xy值为：11组合
 * 按照正常逻辑，不可能出现 xy值为00的组合
 * 
 * 
 * 出现这种情况，只有一种可能，出现乱序执行了。
 * @author LYs
 *
 */
public class T04_Disorder {

    private static int x = 0,y=0;
    private static int a= 0,b=0;
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int i=0;
        for (; ;) {
            i++;
            x=0;y=0;
            a=0;b=0;
            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    a=1;
                    x=b;
                }
            });
            Thread other = new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    b=1;
                    y=a;
                }
            });
            
            one.start();other.start();
            one.join();other.join();
            String result = "第"+i+"次("+x+","+y+")";
            if (x==0 && y==0) {
                System.err.println(result);
                break;
            }
        }
    }
}

乱序执行有可能带来的问题

　　有时候乱序执行会导致一些问题，单线程情况下，好像基本上没有啥影响。但是如果是多线程的话，就有可能会导致一些问题出现。举例：我们在创建对象的时候， new方法会产生4条指令。举例说明：

java代码

public  class Test {
    int i = 8;
}

指令如下：

 NEW Test2  DUP
 INVOKESPECIAL Test.<init>()V
 ASTORE 1

　　其中第一行是在内存中为对象分配一块空间，这时候int i 的值是默认值0 。第二行是将指针缓存下这个不需要理解不影响分析乱序执行问题。第三行指令执行操作，将8赋值给变量i 。第四行指令将该内存的对象引用赋值给栈内的引用。当有两个线程，线程1创建test对象，同时线程2访问该对象，如果不为空，就取出i的值去进行操作。这时如果指令第三行和第四行发生重排序就会出现问题：

 　　图片来源于马士兵线程课

　　如图所示，在线程1创建对象并给i默认值为0的时候，将线程的对象引用赋值给了栈中的对象变量。这时，在对该对象做非空判断时得到的结果是该对象存在。线程2就会去取线程1new出来的对象，但是线程1并没有执行指令4 init的方法。线程2 取到的值为0 但是正常操作应该取到的值为8 这就是指令重排序带来的问题。

指令重排序问题解决

　　指令重排序问题的解决办法是内存屏障，实现方式为：在执行的时候，加一堵墙，墙两边的指令不允许相互之间发生重排序。内存屏障的实现是在CPU级别实现的。Intel硬件提供了一系列的内存屏障，主要有： 
1. lfence，是一种Load Barrier 读屏障 
2. sfence, 是一种Store Barrier 写屏障 
3. mfence, 是一种全能型的屏障，具备ifence和sfence的能力 
4. Lock前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级的一种锁。

java代码想要实现内存屏障，只需要在相应的变量前添加volatile关键字。这个关键字的作用为：1.保证可见性，2.防止指令重排序。jvm实现防止内存重排序使用的办法是锁定cpu总线，该办法效率较低，但是兼容性比较好。