JVM会在不影响正确性的前提下调整语句（指令）的顺序。

例如下代码：

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; 
j = ...; 
//可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是
i = ...; 
j = ...; 
//也可以是
j = ...;    
i = ...; 

这种特性被称为指令重排，多线程的某些情况下指令重排会影响正确性。

1、为什么会有指令重排这项优化呢？

一个cpu执行指令是逐条执行的，但是如果我们把指令在进行划分，比如划分为：取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据 写回 五个阶段，那么Cpu实际执行过程是这样的

每个CPU中有不同的执行单元（位移单元、运算单元等），对应指令执行的不同步骤，在并行指令集引入之前，一个CPU只能同时执行一条指令，所以CPU中各个单元同一时间只有一个单元在工作。

并行指令集引入之后，同一时间CPU的各个单元可以同时运行，实现了真正意义上的指令级的并行操作。这意味着CPU同一时刻能够执行多条指令。

虽然CPU能够并行执行指令了，但是，有一些指令需要依赖前面指令的执行结果，所以不能并行执行，这时候就可以通过指令重排优化来实现CPU并行指令的目的，例如：

重新排序以后就af就可以并行执行。

2、CPU如何实现指令并行执行。

在研究指令重排是如何影响并发正确性之前，先额外看一下cpu如何实现指令并发执行

答案是流水线作业！

现代 CPU 支持多级指令流水线，例如支持同时执行 取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 的处理 器，就可以称之为五级指令流水线。这时 CPU 可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段（相当于一 条执行时间最长的复杂指令），IPC = 1（IPC是每个时钟周期能运行的指令数），本质上，流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但它变相地提高了 指令地吞吐率。

3、指令重排是如何影响并发正确性的

如下代码可能的执行结果 有：4，1和0

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {if(ready) {r.r1 = num + num;} else {r.r1 = 1;}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) { num = 2;ready = true; 
}

4和1恒容易理解，0就 有一些不可思议。而结果0出现的原因就是对actor2方法中的两行代码进行了重排序，交换了他们的执行次序。

但是在单线程的情形下，两个方法顺次执行，永远不会出现0这个结果。

4、如何解决多线程下的指令重排带来的问题

使用volatile的内存屏障功能。

使用volatile修饰的变量，在读或写之后会形成内存读写屏障的效果。

（1）写屏障

对volatile修饰的变量进行写操作之后（该操作被称为写屏障），该变量之前的代码执行结果会被写入到主存。同时会保证，写屏障之前的代码不会被重排序到写屏障之后。

（2）读屏障

对volatile修饰的变量进行读操作之后（该操作被称为读屏障），该变量之后的代码读取共享变量时会直接从主存中读取。同时，保证读屏障之后的代码不会被重排序到读屏障之前。

通过读写屏障也就解释了为什么volatile能够保证可见性和有序性：

• 可见性 ：无论在哪个线程金星了修改都会立刻同步主存，同时从主存读。

  • 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中
  • 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

• 有序性

  • 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
  • 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

所以解决上述问题只需要在ready变量前用volatile修饰即可：这样就保证ready=true（写屏障）之前的代码（num=2）不会被重排序ready=true（写屏障）之后。

int num = 0;
volatile boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {if(ready) {r.r1 = num + num;} else {r.r1 = 1;}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) { num = 2;ready = true; 
}

注意：

• 同步代码块越短越好

• synchronized能解决有序、可见、原子性问题，但是不能防止重排序现象的发生。对于重排序这一点，如果共享变量的所有操作均在synchronized代码块内，是不会出现重排序导致的程序结果错误。