聊聊多线程中的指令重排序

Posted 2021-10-09 小强大人

什么是指令重排序？

Java内存模型允许编译器和处理器对指令进行重排序来提升运行性能，当然只会对那些不存在数据依赖的指令间进行重排序，不然的话会得到错误执行结果。然而，这种保证只对单线程有效，多线程环境下并不能保证这点，这就导致了多线程环境下，重排序后运行的结果并不是我们所预期的那样，这就是指令重排序。

下面举个栗子具体说明：

先来看个正常不会出问题的栗子：

public int add() {
   int x = 1; //(1)
   int y = 2; //(2)
   int z = x + y; //(3)
   return z;
}

上面的代码中,(1)和(2)没有依赖关系，它们之间可以重排序，(3)依赖了(1)和(2)，所以(3)不会被重排序到(1)或(2)之前，这个栗子中，(1)(2)即使发生了重排序，也不会影响程序运行结果。

再来看个可能会出现问题的栗子：

public class InstructionReorderDemo {
    static int num = 0;
    static boolean ready = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread readThread = new Thread(() -> {
            if (ready) { //(1)
                System.out.println(num + num); //(2)
            }
        });
        Thread writeThread = new Thread(() -> {
               num = 2; //(3)
               ready = true; //(4)
        });
        readThread.start();
        writeThread.start();
        readThread.join();
        writeThread.join();
        System.out.println("main thread exit.");
    }
}

这个栗子中，由于(1)(2)(3)(4)之间都没有数据依赖，可能会有同学有疑问，(1)不是依赖了(4)吗，(2)不是依赖了(3)吗？别忘了，这4条指令放在单线程下才能保证这点，就是说下面的代码才会产生上述依赖：

int num;
boolean ready;
public void calculate {
    num = 2;
    ready = true;
    if (ready) {
      System.out.println(num + num);
    }
}

这里是多个线程分别访问共享变量ready和num，且它们都没有用volatile修饰，两个线程并发运行，编译器/处理器可能会对(3)(4)进行重排序，因为它们之间没有数据依赖。但这时，如果按如下时间线运行，就会出现运行结果是0，而不是4。

readThread	writeThread
	ready = true //(4)
if(ready) //(1)
num + num //(2)
	num = 2 //(3)

如何避免指令重排序？

方法很简单，把上述程序中的ready变量用volatile修饰即可。volatile关键字不仅保证了内存可见性，还有内存屏障的作用，在JVM底层是用Lock前缀的指令实现的。它保证了在写volatile变量指令时，在它之前的指令不会被重排序到它之后，在这个栗子中就是num = 2不会在ready = true之后执行；在读volatile变量时，在它之后的指令不会被重排序到它之前，在这个栗子中就是num + num不会放在if (ready)之前执行。

参考资料：
《Java并发编程之美》