指令重排序：Java程序中的隐秘优化

什么是重排序？

在编写Java程序时，我们通常会期望代码的执行顺序与编写顺序一致。然而，为了优化性能，编译器、JVM或CPU可能会对指令的实际执行顺序进行调整，这种现象被称为重排序。重排序是现代计算机系统中常见的优化手段，它通过改变指令的执行顺序来提高处理速度，从而提升程序的整体运行效率。

重排序的好处

重排序的主要好处在于提高处理速度。通过减少执行指令，优化数据访问模式，减少缓存未命中等，重排序能够显著提升程序的运行速度。这种优化是现代编译器和处理器设计中不可或缺的一部分。

重排序的3种情况

1. 编译器优化

编译器（包括JVM、JIT编译器等）在编译过程中会进行优化。例如，如果程序中已经有了数据a的值，编译器可能会将对a的操作集中在一起执行，以减少因读取b后再返回读取a的时间开销。这种重排序不会改变单线程程序的语义，保证了程序逻辑的正确性。

2. CPU重排序

CPU也会进行类似的优化行为。通过乱序执行技术，CPU可以在不影响程序最终结果的前提下，提高执行效率。即使编译器没有进行重排，CPU也可能根据实际情况进行指令重排序。

3. 内存的“重排序”

内存系统本身并不存在真正的重排序，但由于缓存的存在，内存系统可能会表现出类似重排序的效果。在JVM中，这表现为主存和本地内存的内容可能不一致，导致程序表现出乱序的行为。例如，线程1修改了变量a的值，但这个新值可能还没有写回主存，或者线程2还没有读取到这个新值，因此线程2可能看不到线程1对a的修改，但可能看到线程1修改a之后的代码执行效果，表面上看起来像是发生了重排序。

一个例子

让我们通过一个简单的例子来说明这个问题。假设有两个线程，线程1和线程2，它们共享一个变量a。

// 线程1
a = 1; // 语句1
// ... 其他代码 ...
b = a; // 语句2// 线程2
// ... 其他代码 ...
if (a == 1) { // 语句3System.out.println("a is 1");
} // 语句4

在没有同步机制的情况下，线程1修改了a的值，但这个修改可能还没有被线程2看到，因为缓存可能导致线程2看到的a值仍然是旧的。然而，线程2可能已经看到了线程1执行的后续代码（例如语句4），这会导致线程2在a的值实际上还没有变为1时，就执行了if语句中的代码块，表面上看起来像是语句1和语句3发生了重排序。