什么是 Java 中的指令重排？

回答重点

指令重排是 Java 编译器和处理器为了优化性能，在保证单线程程序语义不变的情况下，对指令执行顺序进行调整的过程。在多线程环境下，指令重排可能导致线程之间的操作出现不同步或不可见的现象，因此 Java 提供了内存模型（JMM）和相关机制（如 volatile 和 synchronized）来限制这种行为，确保并发操作的正确性。

主要原因：

编译器优化：编译器会在不影响单线程程序语义的情况下重排序代码，以提升执行效率。
处理器优化：现代处理器会进行指令流水线优化，允许多条指令并行执行或重排序。

重排序的影响：

单线程情况下不会影响程序执行结果。
多线程情况下，指令重排可能导致线程之间的数据不一致问题，影响并发的正确性。

扩展知识

指令重排的三种类型

编译器重排：编译器在生成字节码时，根据优化策略调整代码的顺序，前提是不会改变程序的单线程语义。
CPU 重排：处理器执行指令时，可能会对指令顺序进行调整，以充分利用 CPU 资源，例如指令流水线和多核并行执行。
内存系统重排：不同线程访问共享内存时，内存系统可能会对内存操作顺序进行调整。

单例双重检查锁定的指令重排问题

单例模式中的“双重检查锁定”就是为了避免指令重排的问题。在初始化单例对象时，由于编译器或 CPU 的指令重排，可能会导致另一个线程读取到未初始化完成的对象。这种情况可以通过使用 volatile 关键字来避免。

示例代码：

public class Singleton {
   private static volatile Singleton instance;

   private Singleton() {}

   public static Singleton getInstance() {
       if (instance == null) {
           synchronized (Singleton.class) {
               if (instance == null) {
                   instance = new Singleton();  // 可能会发生指令重排
               }
           }
       }
       return instance;
   }
}

在上述例子中，instance = new Singleton(); 实际上分为三步操作：

分配内存空间。
初始化对象。
将对象指向内存地址。

如果没有 volatile 关键字，编译器或处理器可能会重排步骤 2 和步骤 3，这就会导致另一个线程可能读取到一个尚未初始化完成的对象。

如何避免指令重排导致的并发问题

使用 volatile 关键字来确保关键变量的读写操作不被重排。
使用 synchronized 来保证代码块的顺序执行。
遵循 happens-before 原则来确保多线程环境下的可见性和有序性。

JMM

501. 什么是 Java 内存模型（JMM）？