从Java里认识汇编指令重排序

前言

编译器重排指令主要是为了优化程序的执行效率。编译器会根据程序的语义和指令的特性，对指令进行重新排序，使得程序在执行时能够更快地完成。例如，编译器可能会将循环中的计算指令重新排序，以避免CPU缓存的缺失，从而提高程序的执行速度。编译器和处理器常常会对指令做重排，保证每个指令都在寄存器中可以获取，一般分为一下3种

1. 数据重排（Data Reorganization）：编译器和处理器可以重新组织指令中的数据，以使其更符合计算机的存储和寄存器使用规则。例如，编译器可以将数据按照特定的格式进行排列，以便处理器可以更快地访问它们。 2. 指令重排（Instruction Scheduling）：编译器和处理器可以对指令进行重新排序，以优化程序的执行效率。例如，编译器可以将循环中的计算指令重新排序，以避免CPU缓存的缺失，从而提高程序的执行速度。 3. 寄存器重排（Register Reorganization）：编译器和处理器可以重新组织指令中使用的寄存器，以使每个指令都可以在寄存器中获取。例如，编译器可以将一些指令的输入输出操作放在不同的寄存器中，以便处理器可以更快地访问它们。

这些重排方式都可以提高程序的性能和效率，但同时也需要注意保证程序的正确性。编译器和处理器在进行重排时，需要遵守程序的语义规则，确保程序在重排后的执行结果与原始程序相同。

一、对象创建过程

对象创建过程，指令不只是一条，所以多线程执行会进行重排序，如图所示：

可以用编译直接打开java对象编译后的class文件，就可以看到，new对象生成的指令不止一个。

二、Java代码验证指令重排

单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致的。 但是多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的，结果无法预测（类似答题顺序跟试卷顺序不一致）。以下我用代码演示一下多线程意想不到结果：

public class ReSortSeqDemo {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void method01() {
        a = 1; //1
        flag = true; // 2
    }

    public void method02() {
        if (flag) {
            a = a + 5; // 3
            System.out.println("*****retA:" + a);
        }
    }

}

程序执行是，两个行操作1和2命令没有数据依赖关系，编译器和处理器可以对这两个操作重排序；多线程情况，有可能执行了method01（）方法，flag变为了true，但是a还没有变成1，由于多线程情况，之后method02方法就可以执行，导致a变成了 0 + 5。

三、禁止指令重排

在Java中，可以通过将变量声明为`volatile`或使用`synchronized`关键字来禁止指令重排。

1. 使用volatile关键字

将变量声明为`volatile`可以禁止指令重排。这是因为`volatile`变量会在每个读取操作前都去缓存中查看是否有更新，而不是使用寄存器中的值，从而确保每个线程都能看到最新的值。

例如：

volatile boolean flag = false;

2. 使用synchronized关键字

使用`synchronized`关键字可以确保同一时刻只有一个线程可以访问被保护的代码块，并且会强制刷新内存，从而避免指令重排。

例如：

synchronized(this){
    // 执行需要禁止重排的代码
}

总结

从Java的角度看汇编语言的指令重排序，我们可以理解到这是一种提高程序执行效率的技术，但在多线程环境中需要谨慎处理。为了确保程序的正确性，我们需要理解并遵守JMM的规定，正确使用同步机制比如volatile关键字和synchronized关键字，避免使用可能引入竞争条件的算法。

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