CPU 指令重排序

一、CPU 指令重排序

CPU 在运行时，为了提高运行效率会对指令进行重排序，以适应 CPU 的运行。CPU 指令重排序会遵循 as-if-serial 和 happens-before 原则。

① as-if-serial 语义：单个线程的执行结果不会发生改变。

② happens-before 语义：正确同步的多线程的执行结果不会发生改变。

as-if-serial 和 happens-before 原则，都是为了保障，在 CPU 指令重排序时，不论是单线程还是多线程的情况下，最终指令重排序后的结果都应该与代码本身的应有结果保持一致。对于单线程，可能在重排序后不会产生什么问题，但是对于多线程，这个规则可能就会产生一些问题~

CPU 指令重排序后，体现在代码层面的就是，写在后面的代码，可能在 CPU 重排序之后，就可能会先执行。

二、代码测试

测试代码

public class Test {
    public static int a, b, m, n;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int cnt = 0;
        Runnable r1 = () -> {
            a = 1;
            m = b;
        };

        Runnable r2 = () -> {
            b = 1;
            n = a;
        };

        while(true) {
            cnt ++;
            a = b = m = n = 0;

            Thread t1 = new Thread(r1);
            Thread t2 = new Thread(r2);

            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();

            if(m == 0 && n == 0) {
                System.err.print("第 " + cnt + " 次 " + "a = " + a + " b = " + b + " m = " + m + " n = " + n);
                break;
            }
            System.out.println("第 " + cnt + " 次 " + "a = " + a + " b = " +  b + " m = " + m + " n = " + n);
        }
    }
}

从测试代码中，我们可以推测一下可能产生的所有结果

可能的运行顺序~

        ① a = 1  m = b  b = 1  n = a
        ② a = 1  b = 1  m = b  n = a
        ③ a = 1  b = 1  n = a  m = b
        ④ b = 1  n = a  a = 1  m = b
        ⑤ b = 1  a = 1  n = a  m = b
        ⑥ b = 1  a = 1  m = b  n = a

会产生的结果

        ① a = 1  b = 1  m = 0  n = 1
        ② a = 1  b = 1  m = 1  n = 0
        ③ a = 1  b = 1  m = 1  n = 1

在推测的所有可能的结果中，不可能出现的结果是~

        a = 1  b = 1  m = 0  n = 0

如果产生了这种结果，那么 CPU 就产生了指令重排序，执行的顺序就可能变成以下情况~

        ① m = b  n = a  a = 1  b = 1
        ② m = b  n = a  b = 1  a = 1
        ③ n = a  m = b  a = 1  b = 1
        ④ n = a  m = b  b = 1  a = 1

测试结果

经过测试后发现，当运行至 209687 次时，CPU 指令重排序，得到下图的结果

可以说明，在 CPU 运行多线程时，可能会产生 CPU 指令重排序