Java并发面试题 - 什么是 Java 中的指令重排?
什么是指令重排？
指令重排（Instruction Reordering）是Java编译器和处理器为了提高程序执行效率而采用的一种优化技术。它指的是在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排指令的执行顺序。
在Java中，指令重排可以发生在三个层面：
编译器优化重排 - Java编译器在生成字节码时可能调整指令顺序指令级并行重排 - 现代处理器采用指令级并行技术将多条指令重叠执行内存系统重排 - 由于处理器使用缓存和读写缓冲区，使得加载和存储操作看上去可能是乱序执行
为什么需要指令重排？
指令重排的主要目的是提高性能。现代CPU的时钟频率非常高，而内存访问速度相对较慢，为了减少CPU空闲等待时间，处理器会采用以下技术：
流水线执行：将指令分解为多个阶段并行处理多级缓存：减少内存访问延迟乱序执行：不按程序顺序执行指令
如果没有指令重排，许多处理器的优化技术将无法使用，导致性能大幅下降。
指令重排的示例
考虑以下代码：
int a = 1;
int b = 2;
经过重排后，实际的执行顺序可能是：
int b = 2;
int a = 1;
这种重排不会影响单线程程序的正确性，但能提高执行效率。
指令重排带来的问题
在多线程环境下，指令重排可能导致内存可见性问题。经典的例子是双重检查锁定(Double-Checked Locking)问题：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第一次检查
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) { // 第二次检查
instance = new Singleton(); // 问题出在这里
}
}
}
return instance;
}
}
问题在于instance = new Singleton()这行代码可能会被重排：
分配内存空间将引用指向内存空间（此时instance不为null）初始化对象
如果重排为1→3→2则没有问题，但如果重排为1→2→3，其他线程可能在对象未完全初始化时就看到了非null的instance。
如何避免指令重排的问题
Java提供了几种机制来防止有害的指令重排：
volatile关键字：
private volatile static Singleton instance;
volatile通过内存屏障禁止指令重排，并保证可见性。
synchronized关键字：
public synchronized static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
同步块内的操作不会被重排到块外。
final字段：
final int x = 10;
正确构造的final字段对其他线程是可见的。
happens-before原则
Java内存模型定义了happens-before原则，它规定了哪些操作必须在对其他操作可见之前完成：
这些规则帮助开发者理解多线程环境下的可见性问题。
总结
指令重排是Java性能优化的重要手段，但在多线程环境下可能引发问题。理解指令重排的原理和Java内存模型，能够帮助开发者编写正确且高效的多线程程序。关键点：
指令重排发生在编译期和运行期单线程下不会影响程序正确性多线程下可能导致可见性问题使用volatile、synchronized等机制可以控制重排理解happens-before原则对编写线程安全代码至关重要
通过合理使用Java提供的同步机制，我们可以在享受性能优化的同时，保证多线程程序的正确性。