我的代码出现幻觉？说好的a = 1； x = b，怎么成了x = b； a = 1？

有序性：代码执行的幻觉

前面讲到通过缓存一致性协议，来保障共享变量的可见性。那么是否还有其他情况，导致对共享变量操作不符合预期结果。可以看下面的代码：

java 复制代码

private int a, b;
private int x, y;

public void test() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        x = b;
        a = 1;
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        y = a;
        b = 2;
    });
        
    // ...start启动线程，join等待线程
    assert x == 2;
    assert y == 1;
}

假设将线程t1的代码块从a = 1; x = b;改成x = b; a = 1; 。将线程t2的代码块从b = 2; y = a;改成y = a; b = 2;。

对于线程t1和t2自己来说，代码的重排序，不会影响当前线程执行。但是在多线程并发执行下，会出现如下情况：

1）假设处理器A先将变量b = 0赋值给x，再将变量a赋值1。处理器B先将变量a = 0赋值给y，再将变量b赋值2。那么这时结果是：x等于0，y等于0。

可见代码的重排序也会影响到程序最终结果。

重排序是一种被编译器和处理器采用的优化策略，以便更有效地利用处理器资源，减少指令的执行延迟，以及提高并行指令的数量。

在编译阶段，编译器会进行静态重排序。例如，编译器可能会将计算密集型的指令移动到I/O操作之前，以便在等待I/O完成时，处理器可以执行其他的计算任务。

在运行阶段，现代处理器会进行动态重排序，也被称为指令重排序。例如，当一个指令需要等待数据从内存加载时，处理器可能会先执行其他没有数据依赖的指令，从而避免处理器空闲。

重排序需要遵守两点。

1）数据依赖性：如果两个操作之间存在数据依赖，那么编译器和处理器不能调整它们的顺序。

java 复制代码

// 写后读
a = 1;
b = a;
// 写后写
a = 1;
a = 2;
// 读后写
a = b;
b = 1;

上面3种情况，编译器和处理器不能调整它们的顺序，否则将会造成程序语义的改变。

2）as-if-serial语义：即给程序一个顺序执行的假象。即经过重排序的执行结果要与顺序执行的结果保持一致。

java 复制代码

a = 1;
b = 2;
c = a * b;

如上对变量a的赋值和对变量b的赋值，不存在数据依赖关系。因此对变量a和b重排序不会影响变量c的结果。

但数据依赖性和as-if-serial语义只保证单个处理器中执行的指令序列和单个线程中执行的操作，并不考虑多核处理器和多线程之间的数据依赖情况。因此在多线程程序中，对存在数据依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。因此要避免程序的错误的执行，便是需要禁止这种编译和处理器优化导致的重排序。

这种解决重排序问题的机制，叫做内存屏障。内存屏障也被称为内存栅栏或内存栅障，是一种用于处理多处理器编程中的同步问题的计算机指令。它的主要作用是防止某些内存操作的重排序。以日常接触的 X86_64 架构来说，内存操作指令如读读（LoadLoad）、读写（LoadStore）以及写写（StoreStore）内存屏障是空操作（no-op），只有写读（StoreLoad）内存屏障会被替换成具体指令。

在Java语言中，内存屏障通过volatile关键字实现，禁止被它修饰的变量发生指令重排序操作：

1）不允许 volatile 字段写操作之前的内存访问被重排序至其之后。

2）不允许 volatile 字段读操作之后的内存访问被重排序至其之前。

java 复制代码

//  变量a，b通过volatile修饰
private volatile int a, b; 
private int x, y;

public void test() {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        a = 1;
        // 编译器插入storeload内存屏障指令
        // 1）禁止代码和指令重排序
        // 2）强制刷新变量a的最新值到内存
        x = b;
        // 1）强制从内存中读取变量b的最新值
    });

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        b = 2;
        // 编译器插入storeload内存屏障指令
        // 1）禁止代码和指令重排序
        // 2）强制刷新变量b的最新值到内存
        y = a;
        // 1）强制从内存中读取变量a的最新值
    });
        
    // ...start启动线程，join等待线程
    assert x == 2;
    assert y == 1;
}

可以看到通过volatile修饰的变量通过LOCK指令和内存屏障，实现共享变量的可见性和避免代码和指令的重排序，最终保障了程序在多线程情况下的正常执行。

未完待续

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