指令重排序：原理與應用

一、指令重排序案例

指令重排序是CPU為了提高指令執行效率的一種優化方式，它會將指令按照一定規則重新排序。以下是一個指令重排序的經典案例：

public class DCLSingleton {
    private static volatile DCLSingleton instance;
    private DCLSingleton() {}

    public static DCLSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance; 
    }
}

在並發情況下，由於指令重排序的存在，可能會引發DCL（Double-Check Locking）失敗的問題，使得單例模式失效。

二、指令重排序和JMM的關係

Java內存模型（Java Memory Model，JMM）是Java平台中各種編譯器的內存模型的抽象。為了支持跨平台的Java編程，JMM規範了不同線程之間的內存可見性、數據原子性、指令重排序等問題，並提供了一套完整的內存屏障（Memory Barrier）語義規範。

在JMM的規範下，JVM對於指令重排序有以下保證

• 單線程中，按照指令出現的順序執行。
• 多線程中，無法保證按照指令出現的順序執行，但會保證在JMM規定下的「內存屏障」出現的時候，程序執行滿足JMM的需求。

三、指令重排序什麼意思

指令重排序是CPU為了提高指令執行效率而進行的一種優化方式。由於現代CPU都採用了流水線技術，當一條指令執行完後，下一條指令隨即進入流水線被執行。而在執行過程中，如果出現了數據相關等問題，就需要停頓流水線等待數據，這樣會降低CPU效率。為了儘可能避免出現這種情況，CPU引入了指令重排序技術，將原來的指令序列重新排序，儘可能保證流水線能夠無延遲地執行指令。

四、指令重排序會有什麼問題

雖然指令重排序能夠提高系統的效率，但也可能引發一些隱患。最典型的例子是DCL。

在DCL的代碼片段中，變量instance被聲明為volatile，該關鍵字表示變量的修改對於其他線程都是可見的。但是如果在synchronized關鍵字後面的重排序過程中，創建對象的構造函數先執行，而在給instance賦值的過程中出現了重排序，則會引發DCL的失敗。

五、指令重排單線程有問題

單線程在執行指令重排時，也存在隱患。以下這個例子可以說明這個問題：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        boolean flag = false;
        a = 1;

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        if (a == 1 && !flag) {
            System.out.println("a==1");
        }
    }
}

在單線程中執行以上代碼，有可能導致輸出結果為空。這是因為JVM為了提高執行效率，可能會將if語句執行的代碼片段與a=1這條語句進行重排序，導致程序邏輯錯誤。

六、代碼示例

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        boolean flag = false;
        a = 1;

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        if (a == 1 && !flag) {
            System.out.println("a==1");
        }
    }
}

以上代碼就體現了指令重排單線程的隱患。在多線程中，也要注意指令重排序可能引發的問題。