理解并发编程中的重要概念：指令重排序和指令乱序执行

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#指令重排序 #乱序执行 #编译器和CPU

本文介绍了并发编程中指令重排序的概念，包括编译器重排序和CPU的乱序执行。强调了数据依赖关系的重要性，即编译器和处理器会遵守这种关系以确保程序的正确性。同时，讨论了隐式依赖关系可能导致的问题，并指出在多线程环境下，乱序可能引发错误，需要使用同步机制防止。最后，提到了指令流水线的工作原理及其对乱序执行的影响。

看过了很多介绍指令重排序的文章，可惜由于自己硬件和计算机理论知识缺乏，很难理解深层次的奥秘和实现原理。不过也有很多帖子，讲的浅显易懂，使用的例子很形象。大牛就是能用简单的解释和通俗的比喻，给我们讲明白很高深的东西。这里做个摘抄和总结，和大家分享下，希望大家能够对指令重排序有个形象的认识，不至于在并发编程中犯一些简单的错误。如果理解有错误，希望看到的大神指正。 

从源码变成可以被机器(或虚拟机)识别的程序，至少要经过编译期和运行期。重排序分为两类：编译期重排序和运行期重排序(乱序执行)，分别对应编译时和运行时环境。由于重排序的存在，指令实际的执行顺序，并不是源码中看到的顺序。


1.编译器的重排序

编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。下面的例子来自并发编程网的文章

“编译期重排序的典型就是通过调整指令顺序，在不改变程序语义的前提下，尽可能减少寄存器的读取、存储次数，充分复用寄存器的存储值。假设第一条指令计算一个值赋给变量A并存放在寄存器中，第二条指令与A无关但需要占用寄存器（假设它将占用A所在的那个寄存器），第三条指令使用A的值且与第二条指令无关。那么如果按照顺序一致性模型，A在第一条指令执行过后被放入寄存器，在第二条指令执行时A不再存在，第三条指令执行时A重新被读入寄存器，而这个过程中，A的值没有发生变化。通常编译器都会交换第二和第三条指令的位置，这样第一条指令结束时A存在于寄存器中，接下来可以直接从寄存器中读取A的值，降低了重复读取的开销。”

另一种编译器优化：在循环中读取变量的时候，为提高存取速度，编译器会先把变量读取到一个寄存器中；以后再取该变量值时，就直接从寄存器中取，不会再从内存中取值了。这样能够减少不必要的访问内存。但是提高效率的同时，也引入了新问题。如果别的线程修改了内存中变量的值，那么由于寄存器中的变量值一直没有发生改变，很有可能会导致循环不能

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Linux C/C++并发编程实战（4）关于指令重排、乱序执行、数据依赖
二进制君
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指令流水线并不是串行的，并不会因为一个耗时很长的指令在“执行”阶段呆很长时间，而导致后续的指令都卡在“执行”之前的阶段上。这就是所谓的“顺序流入，乱序流出”。而编译器的乱序，作为编译优化的一种手段，则试图通过指令重排将这样的两条指令拉开距离, 以至于后一条指令进入CPU的时候，前一条指令结果已经得到了，那么也就不再需要阻塞等待了。前面提到，学习并发编程，需要学习相关特性，今天我们来了解下编译器和cpu的指令重排，由于指令重排的存在，并发编程需要提供对应的处理机制来应对这个问题，以保证程序执行的正确性。
Java 并发编程：一文了解 Java 内存模型（处理器优化、指令重排序与内存屏障的深层解析）
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在当今多核处理器和高并发应用日益普及的时代，理解并掌握 Java 并发编程变得尤为重要。Java 内存模型（Java Memory Model, JMM）作为并发编程的基石，扮演着至关重要的角色。JMM 定义了多线程环境下变量的访问规则，确保程序在不同平台和处理器上能够一致且正确地运行。 本文将深入探讨 Java 内存模型中的核心概念，包括处理器优化、指令重排序与内存屏障。我们将揭示这些技术如何影响 Java 程序的执行顺序和数据可见性，以及开发者如何利用 JMM 的规则来编写高效、安全的并发程序。通过对
CPU 乱序执行（指令重排序）
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先来看一个比较形象的例子： 目前 CPU 相比内存至少快 100 倍，为了提升执行效率，CPU 会在不影响最终结果的情况下对指令进行重排序，如下，CPU 接收到的指令集是：洗水壶 -> 烧水 -> 洗茶壶 -> 洗水杯，其中‘烧水’是必须依赖‘洗水壶’，这种情况下 CPU 是按照正常的顺序往下执行，但是‘烧水’和‘洗茶壶’、‘洗水杯’是完全没有依赖关系，那么这个时候 CPU 会在烧水的同时执行‘洗茶壶’、‘洗水杯’的指令，这时候你会发现因为 CPU 的指令重排序让整个过程的执行效率有明显
JVM(2)-指令重排、乱序、对象的内存分布
水月青花
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DCL单例 乱序问题 DCL单例，双重检查单例。 T t = new T(); 指令重排问题。先给成员变量赋值初始化，还是先将new内存地址指向变量t。 如果是先初始化，在指向变量t。 这是正确的。 如果是先指向t,在初始化。相当于是半初始化状态。成员变量还没赋值成功。 利用volatile可以解决这个问题 java内存模型 硬件层的并发优化基础知识 硬件层数据一致性 mesi catch一致性协议（inter） cpu每个cache line标记四种状态。缓存锁实现之一。 现代一致性的的实现 总线锁
指令重排相关
CoderLi
08-06 426
指令流水线所带来的一些问题结构冒险流水线中出现硬件资源竞争数据冒险流水线中后面的指令需要等待前面指令完成数据的读写控制冒险流水线需要个怒前面指令的执行结果来决定下一步去哪儿之行为了解决指令流水线的数据冒险所带来的停顿、CPU 搞了个乱序执行。在遇到数据冒险时、指令调度单元从中选择一些没有数据依赖的指令来执行。后面再进行结果回写时、才按原有顺序进行回写。这就是 CPU 带来的乱序执行。Java 编译器处于 “优化” 的目的、按照某种规则将指令重新排序（尽管有时候看起来像乱序）
1. 其他的一些加速 性能提升模式 1 2. 乱序执行技术 2 2.1. 处理器乱序执行 2 2.2. 编译器指令重排 3 2.3. 乱序的分类 3 2.4. 允许程序员显式的告诉处理器对某些地方禁止
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1. 其他的一些加速 性能提升模式 12. 乱序执行技术 22.1. 处理器乱序执行 22.2. 编译器指令重排 32.3. 乱序的分类 32.4. 允许程序员显式的告诉处理器对某些地方禁止乱序执行.这种机制就是所谓内存屏障 33. 采用乱序执行 优化 指令依赖的情况，流水线就会停滞 43.1. ，乱序执行可以加快芯片的运行速度将近两倍 53.2. 处理器乱序规则 5  1. 其他的一些加速 性能...
【Java并发编程之什么是指令重排序？如何避免指令重排序?】
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02-10 1422
在Java中，指令重排序是指编译器和处理器为了提高程序执行效率，可能会对指令的执行顺序进行重新排列。这种重排序不会改变单线程程序的执行结果（即遵循as-if-serial语义），但在多线程环境下，可能会导致不可预期的行为。
在并发编程中，如何使用内存屏障来防止指令重排序，并确保内存操作的顺序性？请结合具体示例说明。
11-25
它们用于防止编译器和处理器对指令进行乱序执行，确保内存操作的顺序性。具体到内存屏障的使用，编译器内存屏障（Compiler Memory Barrier）和CPU内存屏障（CPU Memory Barrier）是两种主要的类型。 参考资源链接：...
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java中什么是指令重排序
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08-06
<think>我们正在讨论Java中的指令重排序问题。根据引用内容，指令重排序是编译器和处理器为了优化性能而对指令执行顺序进行重新排序的过程。在单线程环境中，这种重排序不会影响程序的正确性，因为编译器和处理器会保证程序的执行结果与代码逻辑顺序一致。但在多线程环境中，指令重排序可能导致意想不到的结果，因为不同线程之间的操作顺序可能被打乱。 接下来，我将详细解释指令重排序的定义、原因以及它对并发程序的影响，并参考提供的引用内容进行说明。 ### 1. 指令重排序的定义 指令重排序是指编译器和处理器在不改变程序语义的前提下，重新安排指令的执行顺序以优化性能。重排序主要发生在两个层面： - **编译器重排序**：编译器在生成字节码或机器码时调整指令顺序。 - **处理器重排序**：处理器在执行指令时，可能改变指令的执行顺序（如乱序执行）。 在单线程程序中，重排序不会影响程序的最终结果，因为编译器和处理器会遵守**数据依赖性**原则：如果两条指令存在数据依赖关系（如一条指令的输出是另一条指令的输入），则不会对它们重排序。例如： ```java int a = 1; // 语句1 int b = a + 1; // 语句2 ``` 语句2依赖于语句1的结果，因此不会被重排序到语句1之前[^1]。 ### 2. 指令重排序的原因 重排序的主要目的是提高性能： - **充分利用CPU流水线**：避免指令等待（如等待内存加载数据），让后续独立指令提前执行。 - **减少内存访问延迟**：通过重排序将内存访问操作集中执行，减少缓存未命中的影响。 ### 3. 指令重排序对并发程序的影响 在多线程环境中，指令重排序可能导致**内存可见性问题**和**程序逻辑错误**。因为不同线程可能观察到其他线程操作的重排序版本。例如： ```java // 引用[3]中的示例 public class VolatileExample { private volatile boolean flag = false; private int number = 0; public void writer() { number = 42; // 语句1 flag = true; // 语句2 } public void reader() { if (flag) { // 语句3 System.out.println(number); // 语句4 } } } ``` - 如果没有重排序，当线程B执行`reader()`看到`flag==true`时，`number`一定已被赋值为42。 - 但如果发生重排序，`writer()`中的语句1和语句2可能被重排序（因为两者无数据依赖）。此时线程B可能在`number`赋值前看到`flag=true`，导致打印出0。 ### 4. 如何避免指令重排序的问题 Java提供以下机制防止重排序导致的问题： - **`volatile`关键字**：禁止对`volatile`变量的读写操作与其前后的普通变量读写重排序（内存屏障效果）[^2][^3]。 - **`synchronized`关键字**：通过互斥锁保证临界区内指令不会被重排序到临界区外。 - **`final`关键字**：保证构造函数中对`final`字段的赋值不会被重排序到构造函数之外。 ### 5. 内存屏障（Memory Barrier） 内存屏障是一种CPU指令，用于禁止特定类型的重排序： - **写屏障（Store Barrier）**：确保屏障前的所有写操作对其他线程可见。 - **读屏障（Load Barrier）**：确保屏障后的读操作能获取最新数据。 在Java中，`volatile`变量的读写会自动插入内存屏障[^2]。 ### 总结 - **指令重排序**是性能优化手段，但在多线程中可能破坏程序正确性。 - **数据依赖性**是单线程中重排序的约束条件。 - **并发控制**需使用`volatile`、`synchronized`等机制防止重排序问题。 §§相关问题§§ 1. Java内存模型（JMM）如何规范指令重排序？ 2. 除了`volatile`，还有哪些方法可以保证多线程环境下的内存可见性？ 3. 如何通过代码演示指令重排序导致的问题？ 4. Happens-Before原则与指令重排序的关系是什么？[^3]</think>### Java中的指令重排序：定义与并发影响 #### 1. **指令重排序的定义** 指令重排序是编译器和处理器为了提高程序执行效率，在**不改变单线程程序语义**的前提下，对指令执行顺序进行重新排列的优化技术。主要包括两种类型： - **编译器重排序**：在编译字节码阶段调整指令顺序 - **处理器重排序**：CPU执行时并行执行无依赖的指令（乱序执行） 例如以下代码： ```java int a = 1; // 语句1 int b = 2; // 语句2 int c = a + b; // 语句3 ``` 编译器和处理器可能将语句1和2的顺序互换，因为两者无数据依赖关系，但不影响语句3的结果[^1]。 #### 2. **重排序的触发条件** 重排序仅在满足**数据依赖性规则**时被禁止： - **写后读**：`a=1; b=a;`（不可重排序） - **写后写**：`a=1; a=2;`（不可重排序） - **读后写**：`b=a; a=1;`（不可重排序） 无这些依赖关系的指令可能被重排序[^1]。 #### 3. **对并发程序的影响** 在多线程环境中，重排序会导致**内存可见性问题**和**程序逻辑错误**： **典型问题示例**： ```java // 引用[3]的示例 public class ReorderingDemo { private int x = 0; private boolean ready = false; // 非volatile // 线程A执行 public void writer() { x = 42; // 语句1 ready = true; // 语句2 可能被重排到语句1前 } // 线程B执行 public void reader() { if (ready) { // 语句3 System.out.println(x); // 可能输出0（未初始化值） } } } ``` 可能发生的时间序列： 1. 线程B执行语句3（`ready=true`） 2. 线程A重排序后先执行语句2 3. 线程B输出`x=0` 4. 线程A执行语句1（`x=42`） #### 4. **解决方案：内存屏障** 通过内存屏障禁止特定类型的重排序： ```java private volatile boolean ready = false; // 添加volatile ``` `volatile`的作用： 1. 禁止重排序：确保`x=42`始终在`ready=true`**之前**执行 2. 保证可见性：修改立即对其他线程可见 3. 插入内存屏障：生成`LoadStore`+`StoreStore`屏障[^2] #### 5. **Happens-Before规则** Java内存模型通过Happens-Before规则解决重排序问题： - **volatile规则**：对volatile变量的写操作先于后续读操作 - **监视器锁规则**：解锁操作先于后续加锁操作 - **传递性规则**：若A先于B，B先于C，则A先于C 在引用[3]的示例中： ```java public void writer() { number = 42; // 普通写 flag = true; // volatile写 → 建立内存屏障 } public void reader() { if (flag) { // volatile读 → 建立内存屏障 System.out.println(number); // 保证看到42 } } ``` `volatile`写操作前的所有操作（`number=42`）对后续`volatile`读操作可见[^3]。 ### 总结 | 特性 | 单线程环境 | 多线程环境 | |------|------------|------------| | **重排序允许性** | ✅ 安全 | ❌ 危险 | | **数据依赖性** | 自动保持 | 可能被破坏 | | **解决方案** | 无需处理 | volatile/synchronized | | **关键机制** | - | 内存屏障 + Happens-Before | > 指令重排序是提升性能的重要手段，但在并发编程中必须通过`volatile`、`synchronized`或`final`等机制约束其行为，避免出现不可预测的结果[^1][^2][^3]。
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