内存访问重排序与内存可见性

计算机系统中，为了尽可能地避免处理器访问主内存的时间开销，处理器大多会利用缓存(cache)以提高性能。其模型如下图所示。

在这种模型下会存在一个现象，即缓存中的数据与主内存的数据并不是实时同步的，各CPU（或CPU核心）间缓存的数据也不是实时同步的。这导致在同一个时间点，各CPU所看到同一内存地址的数据的值可能是不一致的。从程序的视角来看，就是在同一个时间点，各个线程所看到的共享变量的值可能是不一致的。

有的观点会将这种现象也视为重排序的一种，命名为“内存系统重排序”。因为这种内存可见性问题造成的结果就好像是内存访问指令发生了重排序一样。

这种内存可见性问题也会导致章节一中示例代码即便在没有发生指令重排序的情况下的执行结果也还是(0, 0)。

 

实验：

package org.fenxisoft.concurrency;

public class PossibleReordering {
	private int x = 0, y = 0;
	private int a = 0, b = 0;

	public void testReordering(int count) throws InterruptedException {
	    Thread one = new Thread(new Runnable() {
	        public void run() {
	            a = 1;
	            x = b;
	        }
	    });

	    Thread other = new Thread(new Runnable() {
	        public void run() {
	            b = 1;
	            y = a;
	        }
	    });
	    one.start();other.start();
	    while(Thread.activeCount() > 1){
			Thread.yield();
	    }
		System.out.println("第"+count+"次   (" + x + "," + y + ")");
		if(x == 0 && y == 0){
			System.exit(0);
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		for(int i = 0; i< Integer.MAX_VALUE; i++){
			new PossibleReordering().testReordering(i);
		}
		
	}
}

很容易想到这段代码的运行结果可能为(1,0)、(0,1)或(1,1)，因为线程one可以在线程two开始之前就执行完了，也有可能反之，甚至有可能二者的指令是同时或交替执行的。

然而，这段代码的执行结果也可能是(0,0). 因为，在实际运行时，代码指令可能并不是严格按照代码语句顺序执行的。得到(0,0)结果的语句执行过程，如下图所示。值得注意的是，a=1和x=b这两个语句的赋值操作的顺序被颠倒了，或者说，发生了指令“重排序”(reordering)。（事实上，输出了这一结果，并不代表一定发生了指令重排序，内存可见性问题也会导致这样的输出，详见后文）

对重排序现象不太了解的开发者可能会对这种现象感到吃惊，但是，笔者开发环境下做的一个小实验证实了这一结果

实验代码是构造一个循环，反复执行上面的实例代码，直到出现a=0且b=0的输出为止。实验结果说明，循环执行到第11062341次时输出了(0,0).

 

大多数现代微处理器都会采用将指令乱序执行（out-of-order execution，简称OoOE或OOE）的方法，在条件允许的情况下，直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据时造成的等待3。通过乱序执行的技术，处理器可以大大提高执行效率。

 

除了处理器，常见的Java运行时环境的JIT编译器也会做指令重排序操作4，即生成的机器指令与字节码指令顺序不一致。