CPU 指令重排序

墨蓝 2024-04-03 10:12 69阅读 0赞

## 一、CPU 指令重排序 ##

**CPU 在运行时，为了提高运行效率会对指令进行重排序，以适应 CPU 的运行。CPU 指令重排序会遵循 as-if-serial 和 happens-before 原则。**

**① as-if-serial 语义：单个线程的执行结果不会发生改变。**

**② happens-before 语义：正确同步的多线程的执行结果不会发生改变。**

as-if-serial 和 happens-before 原则，都是为了保障，在 CPU 指令重排序时，不论是单线程还是多线程的情况下，最终指令重排序后的结果都应该与代码本身的应有结果保持一致。对于单线程，可能在重排序后不会产生什么问题，但是对于多线程，这个规则可能就会产生一些问题~

**CPU 指令重排序后，体现在代码层面的就是，写在后面的代码，可能在 CPU 重排序之后，就可能会先执行。**

## 二、代码测试 ##

**测试代码**

public class Test {
        public static int a, b, m, n;
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            int cnt = 0;
            Runnable r1 = () -> {
                a = 1;
                m = b;
            };
    
            Runnable r2 = () -> {
                b = 1;
                n = a;
            };
    
            while(true) {
                cnt ++;
                a = b = m = n = 0;
    
                Thread t1 = new Thread(r1);
                Thread t2 = new Thread(r2);
    
                t1.start();
                t2.start();
                t1.join();
                t2.join();
    
                if(m == 0 && n == 0) {
                    System.err.print("第 " + cnt + " 次 " + "a = " + a + " b = " + b + " m = " + m + " n = " + n);
                    break;
                }
                System.out.println("第 " + cnt + " 次 " + "a = " + a + " b = " +  b + " m = " + m + " n = " + n);
            }
        }
    }

从测试代码中，我们可以推测一下可能产生的所有结果

可能的运行顺序~

**① a = 1 m = b b = 1 n = a  
② a = 1 b = 1 m = b n = a  
③ a = 1 b = 1 n = a m = b  
④ b = 1 n = a a = 1 m = b  
⑤ b = 1 a = 1 n = a m = b  
⑥ b = 1 a = 1 m = b n = a**

会产生的结果

**① a = 1 b = 1 m = 0 n = 1  
② a = 1 b = 1 m = 1 n = 0  
③ a = 1 b = 1 m = 1 n = 1**

在推测的所有可能的结果中，不可能出现的结果是~

**a = 1 b = 1 m = 0 n = 0**

如果产生了这种结果，那么 CPU 就产生了指令重排序，执行的顺序就可能变成以下情况~

**① m = b n = a a = 1 b = 1  
② m = b n = a b = 1 a = 1  
③ n = a m = b a = 1 b = 1  
④ n = a m = b b = 1 a = 1**

**测试结果**

经过测试后发现，当运行至 209687 次时，CPU 指令重排序，得到下图的结果

![8f2218cc6dcc4e099769afeddba2ddf8.png][]

可以说明，在 CPU 运行多线程时，可能会产生 CPU 指令重排序

[8f2218cc6dcc4e099769afeddba2ddf8.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/c2b50ddbd98c4ba39143c33a4a98eded.png