一、指令重排問題

你寫的程式碼有可能，根本沒有按照你期望的順序執行，因為編譯器和 CPU 會嘗試指令重排來讓程式碼執行更高效，這就是指令重排。

1.1 虛擬機器層面

我們都知道CPU執行指令的時候，訪問記憶體的速度遠慢於 CPU 速度。

為了儘可能減少記憶體操作帶來的 CPU 空置的影響，虛擬機器會按照自己的一些規則將程式編寫順序打亂：即寫在後面的程式碼在時間順序上可能會先執行，而寫在前面的程式碼會後執行。

當然這樣的前提是不會產生錯誤。不管誰先開始,總之後面的程式碼在一些情況下存在先結束的可能。

1.2 硬體層面

在硬體層面，CPU會將接收到的一批指令按照其規則重排序，同樣是基於 CPU 速度比快取速度快的原因。

和上一點的目的類似，只是硬體處理的話，每次只能在接收到的有限指令範圍內重排序，而虛擬機器可以在更大層面、更多指令範圍內重排序。

1.3 資料依賴

如果兩個操作訪問的是同一個變數，且其中有一個是寫操作，那麼這兩個操作之間就存在資料依賴。

資料依賴分為讀後寫、寫後寫、寫後讀。

讀後寫：a = b;b = 1;
寫後讀：a = 1;b = a;
寫後寫：a = 1;a = 2;

上面這幾種情況，存在資料以來，當存在資料依賴的時候，重排指令就會造成程式結果錯誤，所以編譯器和處理器會遵循資料依賴，不改變順序。

1.4 As-If-Serial語義

基於上面的重排序原則，不管怎麼重排序（編譯器和處理器為了提高並行度），（單執行緒）程式的執行結果不能被改變

編譯器，runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語義。為了遵守 as-if-serial 語義，編譯器和處理器不會對存在資料依賴關係的操作做重排序，因為這種重排序會改變執行結果。

1.5 Happens-Before語義

直接翻譯就是，在之前發生，本質上和 as-if-serial 一樣的。

定義：如果一個操作 happens-before 另一個操作，那麼意味著第一個操作的結果對第二個操作可見，而且第一個操作的執行順序將排在第二個操作的前面。

如果重排序之後的結果，與按照happens-before關係來執行的結果一致，那麼這種重排序並不非法（也就是說，JMM允許這種重排序）。

具體規則如下：

• 程式順序規則：一個執行緒中的每個操作，happens-before於該執行緒中的任意後續操作。
• 監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖。
• volatile變數規則：對一個volatile域的寫，happens-before於任意後續對這個volatile域的讀。
• 執行緒啟動規則：如果執行緒A執行操作ThreadB.start()（啟動執行緒B），那麼A執行緒的ThreadB.start()操作happens-before於執行緒B中的任意操作。
• 執行緒終結規則：如果執行緒A執行操作ThreadB.join()併成功返回，那麼執行緒B中的任意操作happens-before於執行緒A從ThreadB.join()操作成功返回。
• 傳遞性規則：如果A happens-before B，且B happens-before C，那麼A happens-before C。

總結：

這麼些規則總的來說就在體現一件事，也就是單執行緒裡，程式有關的各個層面都會做指令重排的優化，而且會用這些規則來保證結果正確。

二、多執行緒的指令重排

如果是多執行緒，無法保證正確性，指令重排可能會造成結果錯誤。

我個人是這樣理解的：多執行緒最大問題就是一個 先來後到 可能破壞正確性的問題，因此有同步、加鎖等等機制來保障先來後到，可是指令重排讓執行緒本身的指令亂了，就可能讓整體的結果功虧一簣。

一個簡單的例子：

/**
* 指令重排問題
*/
public class HappenBefore {
    private static int i = 0, j = 0;
    private static int a = 0, b = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        while (true){
            i = 0;
            j = 0;
            a = 0;
            b = 0;
            Thread t1 = new Thread(()->{
                a = 1;
                i = b;
            });
            Thread t2 = new Thread(()->{
                b = 1;
                j = a;
            });
            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();
            System.out.println("i = " + i +" ; j = " + j);
            if (i == 0 && j == 0){
                break;
            }
        }
    }
}

上面程式裡開了兩個執行緒，交替賦值；join保障這兩個執行緒都在 main 執行緒之前執行完，確保最後在執行完後輸出。（注意並不是保證 t1 在 t2 之前執行）

如果沒有指令重排，按照我們的分析，多執行緒情況下，t1 和 t2 分別執行完，或者經過cpu的排程，t1 和 t2 執行緒經過了切換，那麼可能出現的情況是，最終的 i 和 j 為：

• i = 0，j = 1；（t1先執行完）
• i = 1，j = 0；（t2先執行完）
• i = 1，j = 1；（中間執行緒切換了）

但是結果應該是不會出現 i = 0，j = 0 的情況的。

可是程式碼跑起來就會發現，會出現 i = 0，j = 0 的情況，這就是指令重排在多執行緒情況下帶來的問題。在各自單執行緒裡，因為沒有依賴關係，所以編譯器、虛擬機器以及 cpu 可以進行亂序重排，最後導致了這種結果。

三、volatile 關鍵字

Volatile 英文翻譯：易變的、可變的、不穩定的。

1. 在之前的示例中，執行緒不安全的問題，我們使用執行緒同步，也就是通過 synchronized 關鍵字，對操作的物件加鎖，遮蔽了其他執行緒對這塊程式碼的訪問，從而保證安全。
2. 這裡的 volatile 嘗試從另一個角度解決這個問題，那就是保證變數可見，有說法將其稱之為輕量級的synchronized。

volatile保證變數可見：簡單來說就是，當執行緒 A 對變數 X 進行了修改後，線上程 A 後面執行的其他執行緒能夠看到 X 的變動，就是保證了 X 永遠是最新的。

更詳細的說，就是要符合以下兩個規則：

1. 執行緒對變數進行修改後，要立刻寫回主記憶體；
2. 執行緒對變數讀取的時候，要從主記憶體讀，而不是快取。

另一個角度，結合指令重排序，volatile 修飾的記憶體空間，在這上面執行的指令是禁止亂序的。因此，在單例模式的 DCL 寫法中，volatile 也是必須的元素。

3.1 volatile使用示例1

private static int num = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(()->{
        while (num == 0){

        }
    }).start();

    Thread.sleep(1000);
    num = 1;
}

程式碼死迴圈，因為主執行緒裡的 num = 1，不能及時將資料變化更新到主存，因此上面的程式碼 while 條件持續為真。

因此可以給變數加上 volatile：

private volatile static int num = 0;

這樣就在執行幾秒後就會停止執行。

3.2 單例模式Double Checked Locking

在設計模式裡的單例模式，如果在多執行緒的情況下，仍然要保證始終只有一個物件，就要進行同步和鎖。

class DCL{
    private static volatile DCL instance;
    private DCL(){

    }

    public static DCL getInstance(){
        if (instance == null){//check1
            synchronized (DCL.class){
                if (instance == null){//check2
                    instance = new DCL();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

雙重校驗鎖，實現執行緒安全的單例鎖。

關於單例模式的內容，指路：單例模式講解及8種寫法

但是：volatile不能保證原子性。

3.3 原子性問題

原子操作就是這個操作要麼執行完，要麼不執行，不可能卡在中間。

比如在 Java 裡， i = 2，這個指令是具有原子性的，而 i++ 則不是，事實上 i++ 也是先拿 i，再修改，再重新賦值給 i 。

例如你讓一個volatile的integer自增（i++），其實要分成3步：

1）讀取volatile變數值到local；
2）增加變數的值；
3）把local的值寫回，讓其它的執行緒可見。

這 3 步的jvm指令為：

mov    0xc(%r10),%r8d ; Load
inc    %r8d           ; Increment
mov    %r8d,0xc(%r10) ; Store
lock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier

最後一步是記憶體屏障。

什麼是記憶體屏障？記憶體屏障告訴CPU和編譯器先於這個命令的必須先執行，後於這個命令的必須後執行，同時強制更新一次不同CPU的快取，也就是通過這個操作，使得 volatile 關鍵字達到了所謂的變數可見性。

這個時候我們就知道，如果一個操作有好幾步，如果其他的執行緒修改了值，將會都產生覆蓋，還是會出現不安全的情況，所以， volatile 關鍵字本身無法保證原子性。

volatile 無法保證原子性。我們還是用兩數之和來示例：

public class NoAtomic {
    private static volatile int num = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i=0; i<100; i++){
            new Thread(()->{
                for (int j=0; j < 100; j++){
                    num++;
                }
            }).start();
        }
    Thread.sleep(3000);
    System.out.println(num);
    }
}

輸出結果會小於預期，雖然 volatile 保證了可見性，但是卻不能保證操作的原子性。因此想要保證原子性，還是得回去找 synchronized 或者使用juc下的原子資料型別。

3.4 volatile 和 synchronized 的區別

• volatile 本質是在告訴 jvm 當前變數在暫存器（工作記憶體）中的值是不確定的，需要從主存中讀取； synchronized 則是鎖定當前變數，只有當前執行緒可以訪問該變數，其他執行緒被阻塞住。
• volatile 僅能使用在變數級別；synchronized則可以使用在變數、方法、和類級別的。
• volatile 僅能實現變數的修改可見性，不能保證原子性；而 synchronized 則可以保證變數的修改可見性和原子性。
• volatile 不會造成執行緒的阻塞；synchronized 可能會造成執行緒的阻塞。

不過：由於硬體層面，從工作記憶體到主存的更新速度已經提升的很快，加上 synchronized 的改進，也已經不用考慮太過重量的問題，所以 volatile 很少使用。