大家好，我是小米，今天我们来聊一聊一个常常出现在Java社招面试中的问题——为什么代码会重排序？这个问题看似简单，却能触及到Java程序员在多线程编程时的一个核心问题——指令重排序。如果你也有过面试被问到这个问题的经历，不妨坐下来和我一起捋一捋这个问题，顺便了解一下背后的技术原理，帮助你在未来的面试中能更自信地作答。
面试现场——面试官的提问“我有一个简单的面试题，假设你在编写一个多线程程序时遇到了以下这种情况：
现在，假设你在Thread t1执行后，Thread t2执行之前，插入了一个Thread.sleep(1000)，也就是说，Thread t1会先执行，Thread t2会稍晚执行。那么你期望的输出是什么呢？并且，如果你修改代码，让a = 1和b = 1在两个线程之间的执行顺序变动，会有什么后果？”
我看得出来，面试官似乎是想考察我对指令重排序的理解。于是我毫不犹豫地开始回答。
什么是指令重排序？指令重排序，顾名思义，就是指处理器在执行程序指令时，改变了原本顺序的行为。这种现象看似奇怪，但在大多数情况下，它对程序员的影响是微乎其微的，尤其是在单线程环境下。可是，重排序在多线程环境中，却会带来非常大的困扰。
1. 处理器层面的重排序
我们先从硬件层面来了解一下重排序。现代的处理器为了提高性能，采用了指令流水线技术。所谓流水线，就是将多个指令的执行分成多个阶段，同时执行，从而提高处理器的执行效率。为了让指令能够更高效地执行，处理器会尝试对指令的执行顺序进行一定的调整，这就是指令重排序。
举个简单的例子，我们有两条独立的指令：
这两条指令之间是没有依赖关系的，因此处理器为了提高效率，可能会将它们的执行顺序进行重排，例如：
在单线程环境下，这种重排序通常不会对程序的正确性造成影响，毕竟没有其他线程去访问这些变量。但当涉及到多线程时，问题就会变得复杂。
2. 编译器的优化
编译器在将Java源代码编译成字节码时，也可能进行重排序。编译器会根据程序的控制流和数据流，做一些优化，使得程序在不改变结果的前提下，运行得更高效。在多线程的环境下，这些优化可能会引起意想不到的错误。
例如：
在某些编译器优化的情况下，可能会先执行b = 1再执行a = 1，这就可能导致不同线程在不同的执行路径下发生不同的结果。
代码中的重排序示例我们回到面试题中的代码，假设Thread t1和Thread t2并发执行，而Thread.sleep(1000)仅仅是在两个线程之间人为插入的延迟。实际运行时，a = 1和b = 1的赋值操作很可能并不是按顺序执行的，原因就在于指令重排序。
线程和内存模型
那么为什么指令重排序在多线程中会造成问题呢？关键就在于Java内存模型（JMM）。JMM定义了Java程序中线程与内存之间的交互规则，确保不同线程对共享变量的访问能够正确同步。
JMM采用了happens-before原则，确保特定的操作顺序。假如我们在没有适当同步的情况下直接修改共享变量，Java虚拟机和硬件可能会重新排序这些操作，导致线程之间的访问变得不可预测，从而引发可见性问题，甚至引发脏读。
例如，在上面的代码中，如果a = 1和b = 1的赋值操作发生了重排序，那么Thread t1和Thread t2的执行结果可能就会变得不确定，甚至出现a先被赋值为1，但b却没有被赋值，导致线程间的变量值不可预期。
为什么重排序会发生？1. 性能优化
如前所述，现代处理器的性能优化是重排序的主要驱动力。为了提高性能，处理器会让指令并行执行，或者调整指令的顺序。在单线程程序中，这样的优化通常不会出问题，但在多线程环境下，它可能导致一些难以发现的bug。
2. 编译器优化
Java编译器也有可能在编译时对代码进行重排序。编译器可能会将无依赖关系的语句进行交换，从而提高执行效率。尽管Java本身在语法上不要求执行顺序，但编译器可能会选择不必要的优化，从而导致程序的执行顺序发生变化。
3. JVM和内存屏障
JVM为了保证性能，通常会在一些关键区域使用内存屏障（Memory Barriers），但是有时候，即使是JVM也难以完全控制所有的指令执行顺序，特别是在没有适当同步的情况下，重排序就成了不可避免的问题。
如何解决代码重排序问题？既然代码重排序会带来这么多问题，那么如何解决这个问题呢？幸运的是，Java提供了几种手段来控制线程间的执行顺序和内存可见性，防止指令重排序引发的错误。
1. 使用volatile关键字
volatile关键字是防止重排序的一个重要工具。它不仅能确保变量的可见性，还能防止指令重排序。volatile变量在写入时，JVM会保证它不会被重排序到其他操作之前，从而确保线程之间的正确同步。
通过将a和b声明为volatile，可以确保它们在多线程环境中是可见的，并且操作顺序不会发生不一致。
2. 使用synchronized关键字
synchronized关键字可以确保同一时刻只有一个线程能够访问某个方法或者代码块，从而确保操作的顺序性，避免指令重排序。
通过使用synchronized，可以显式地控制线程对共享资源的访问顺序。
3. 使用final关键字
对于常量，使用final关键字可以确保它们在构造时就被初始化，并且不会发生重排序。final变量在构造函数中完成初始化后，其值不会被修改，从而确保了多线程的可见性。
指令重排序是现代计算机为了提高性能而采用的一种技术，它本身并不会造成问题，但在多线程环境下，如果我们没有采取适当的同步措施，可能会导致程序的行为变得不可预测。为了避免重排序带来的问题，我们可以使用volatile、synchronized等工具来保证程序的正确性。
通过这次面试问题，我们不仅了解了指令重排序的原理，还学到了如何利用Java提供的工具避免重排序带来的问题。在面试中，能够流畅地讲解这些概念，不仅能展示你对Java内存模型的理解，还能给面试官留下深刻的印象。
END好了，今天的分享就到这里！希望大家在面试中能遇到更多有趣的问题，准备得更加充分。如果你有任何问题，欢迎留言讨论，我会尽力为你解答。
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