java开发CPU流水线与指令乱序执行详解

引言

青蛙见了蜈蚣，好奇地问："蜈蚣大哥，我很好奇，你那么多条腿，走路的时候先迈哪一条啊？"

蜈蚣听后说："青蛙老弟，我一直就这么走路，从没想过先迈哪一条腿，等我想一想再回答你。"

蜈蚣站立了几分钟，它一边思考一边向前，蹒跚了几步，终于趴下去了。

它对青蛙说：“请你再也别问其它蜈蚣这个问题了！我一直都在这样走路，这根本不成问题！可现在你问我先移动哪一条腿，我也不知道了。搞得我现在连路都不会走了，我该怎么办呢？”

这个小故事属实反映了我最近的心态：

越学越不会了。。。

本来synchronized和volatile关键字用得好好的，我非要深入研究一下他们的原理，所以研究了内存屏障，又研究了和内存屏障相关的MESI，又研究了Cache Coherence和Memory Consistency，发现一切问题都出在CPU身上。于是又惊叹Java一次编写到处运行的特性，最终又研究到JMM。

说是研究，其实就是把学习过程中自己抛出来的问题解决掉，把所有知识穿成一条线罢了。

这条线的线头就从指令的乱序执行开始了。

经典的指令乱序执行的原因有两种，分别是Compiler Reordering和CPU Reordering。

1. Compiler Reordering

编译器会对高级语言的代码进行分析，如果它认为你的代码可以优化，那么他会对你的代码进行各种优化然后生成汇编指令。当然，本文说的优化主要是指令重排（Compiler Reordering）。

但是编译器的优化必须满足特定的条件，一个非常重要的原则就是as-if-serial语义：

Allows any and all code transformations that do not change the observable behavior of the program.

编译器必须遵守as-if-serial语义，也就是编译器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。 但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

我们用非常简单的C 代码举个例子（因为编译更简单，看起来也更直观）。

int a,b,c;
void bar()
{
        a = c   1;
        b = 1;
}
int main()
{
        bar();
        return 0;
}

我们对这段代码进行变异，让编译器在O2级别优化的情况下编译代码，我截取其中的bar()的汇编代码，如下所示：

_Z3barv:
.LFB0:
        .cfi_startproc
        endbr64
        movl    $1, b(%rip)      #将1的值赋给b，即b = 1
        movl    c(%rip),