Java多线程并发的指令重排序问题及volatile写屏障原理详解

基础知识

什么是指令重排？

指令重排序是编译器或处理器为了提高性能而对指令执行顺序进行重新排列的优化技术。

对于单线程而言，有些指令可以重排，有些不能。 例如：

//以下两行交换顺序，并不影响结果，可以重排
int a = 1;
int b = 2;
 
 
int c;
//以下两行，是否重排会导致c的值不同，故不可以重排序
int d = 2;
int c = d;

1、多线程并发下的指令重排带来的问题

（1）可见性问题

指令重排序可能导致一个线程对共享变量的修改在另一个线程中不可见。这是因为指令重排序可以改变代码中的读写操作顺序，使得某个线程看到的变量值不一致

例如，如下代码会出现问题：

int x = 0;
boolean flag = false;
// 线程1执行的代码
x = 1;
flag = true;
// 线程2执行的代码
if (flag) {
    System.out.println(x);
}

在没有同步措施的情况下，由于指令重排序的存在，线程2有可能先读取到 flag 的值为 true，然后再读取 x 的值为 0，导致输出结果不符合期望。

（2）有序性问题

指令重排序可能破坏原有的代码执行顺序，导致程序逻辑出现错误。

int a = 1;
int b = 2;
 
// 线程1执行的代码
a = a + 1;
b = a * 2;
 
// 线程2执行的代码
if (b == 4 && a == 3) {
    // ...
}

在没有同步措施的情况下，由于指令重排序的存在，线程1有可能先将 b 的值计算为 4，然后再计算 a 的值为 3，导致线程2的条件判断不成立，出现逻辑错误。

2、volatile解决指令重排问题的原理

只需要规定变量是volatile类型，就可以避免指令重排的问题，原因如下：

写屏障

在使用 volatile 修饰的变量进行写操作时，编译器或处理器会在对应的指令之前插入写屏障，以确保将写入缓存区的值立即刷新到主内存中。 同时，读操作也会受到读屏障的影响，在读取 volatile 变量之前，编译器或处理器会先执行读屏障，以从主内存中获取最新的值。

这样，通过写屏障和读屏障的配合，volatile 变量能够实现禁止指令重排序、保证可见性的效果，从而解决了多线程并发环境下的指令重排问题。

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