并发bug之源（二）-有序性

什么是有序性？

简单来说，假设你写了下面的程序：

java

int a = 1;
int b = 2;
System.out.println(a);
System.out.println(b);

但经过编译器/CPU优化（指令重排序，和编程语言无关）后可能就变成了这样：

java

int b = 2; 
int a = 1;
System.out.println(a);
System.out.println(b);

当然上面例子这种情况，就算调整了代码顺序，也没有任何影响。但实际工作过程中，这种擅自优化，并不总是没有问题的，在多线程情况下，有时候就会给我们的程序中埋下一个隐藏的bug。

如何证明指令重排序的存在？

我说有指令重排序就有啊，那不得拿出证据来？

这个证明有点复杂，我先写一个程序，跑起来看结果，然后再解释：

java

public class DisOrder {

    private static int a, b, x, y = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (long i = 0; i < Long.MAX_VALUE; i++) {
            a = 0;b = 0;x = 0;y = 0;
            CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(2);
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                a = 1;
                x = b;
                cdl.countDown();
            });
            Thread t2 = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
                cdl.countDown();
            });
            t1.start();
            t2.start();
            cdl.await();
            
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.out.println("第" + i + "次循环时, (" + x + "," + y + ")");
                break;
            }
        }
    }

}

这个程序需要等一会，执行结果：

我来解释下这个程序在干什么，程序中有四个成员变量 a, b, x, y ，初始都是0。

然后执行一个无限循环，循环中启动两个线程，两个线程分别去修改 a, b, x, y 四个变量，按顺序一共有四行代码：

none

a = 1;
x = b;
b = 1;
y = a;

每次修改完成后，判断下x和y是否都为0，是则打印 x, y 并停止循环，否则重新循环，并将四个变量归零。

OK，现在我们先来简单推理下。

假设程序严格按照代码的顺序去执行，那么两个线程修改完成后，a, b, x, y 的值有哪些可能呢？

我猜你懒得推理，直接说结论吧：

结果一共有6种可能性，一种为x=0,y=1，一种为x=1,y=0，另外四种都为x=1,y=1。

可以发现，没有任何情况的结果是x=0,y=0的。

但是，我们从上面程序实际执行结果可以看到，循环终止了，也打印出了当第35239次循环时，x=0,y=0。

那么也就是说，必然发生了上面6种可能性以外的其他情况。大家可以再简单推理下，发生什么情况会导致 x=0,y=0 呢？

我们发现只有上面这2种情况，会导致x=0,y=0。

而从这两种情况可以发现，代码执行的顺序，和我们写的顺序发生了交换，第一个线程里原本是a = 1;x = b;，在这两种情况里，都变成了x = b;a = 1;，第二个线程里也是如此。

由此可以证明，指令重排序的存在。

如何解决有序性问题

指令重排序是编译期/CPU为了有可能的性能提升，而进行的擅自优化。上面也说了这种优化在有些时候会带来一些问题，这就是有序性问题，那么我们该如何解决这种问题呢？

JVM有一个原则，叫做Happens-Before原则，翻译过来就是先行发生原则。里面有8条规则：

上图截自《深入理解Java虚拟机第三版》，除了这8条以外JVM可以随便换顺序，这8条规则没必要背，一点意义都没有。

通过这个 Happens-Before 原则，就可以解决多线程的可见性和有序性问题。

下面我们来看个经典的面试题

DCL单例到底需不需要加 volatile

DCL（Double Check Lock）双重检查锁，单例模式的一种实现方案，代码如下：

java

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

这段代码看起来很完美，但它是有问题的。主要在于instance = new Singleton()这句，这其实并非是一个原子操作，事实上这行代码大概做了下面 3 件事情：

分配一块内存M，成员变量赋默认值（0，0.0，false，null）
调用 Singleton 类的构造函数，在内存M上初始化成员变量
将instance变量指向分配的内存M（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是由于存在指令重排序的优化，上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是1-3-2，则就有可能在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了CPU，去调用 getSingleton() 方法。这时 instance 已经是非 null 了（但却没有执行第二步的初始化，此时只是完成第一步的半初始化状态），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后理所当然发生错误。因为此时 instance 对象还没有执行第二步，没有调用构造函数初始化成员变量。

这里给大家看下 new 一个对象，字节码长什么样，证实一下确实是上面说的这三个步骤，可不是我胡说：

图中红色框起来的三行字节码指令，就是上面对应的三个步骤（ dup 和 return 指令在这里暂时不需要关注）。

none

0 new #2 <java/lang/Object>
4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init> : ()V>
7 astore_1

么这个问题要怎么解决呢？其实只要将变量 instance ⽤ volatile 修饰，就可以避免这个问题了。

java

public class Singleton {

    /** 声明成 volatile */
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

可另一个问题又来了，为什么加了 volatile ，就可以避免指令重排序导致的问题呢？

volatile 如何防止指令重排序

我们想一下，发生上面指令重排序的情况，本质上就是两行代码的顺序发生了交换。比如你站在A点，我站在B点，你我交换位置就会出现问题。那如果不想让你我交换位置，有什么办法呢？

只要给咱俩中间加一堵墙就行了嘛，你过不来，我也过不去，就不会发生位置交换了。

没错，其实 volatile 就是这么干的，这堵“墙”，就被称之为内存屏障。

内存屏障，其本质上是一条特殊的屏障指令，编译器/CPU当看到这条指令的时候，就绝对不会将这条指令之前的指令，和之后的指令换顺序。

那屏障指令有哪些呢？不同的CPU，是不一样的。

我们以英特尔CPU举例，它的屏障指令有3个：lfence、mfence、sfence。这个东西是汇编级别的，暂时不用关心这些。

那Java里面有没有屏障指令呢？Java里也得有一种机制，来告诉JVM，不能随便换顺序啊。没错，这语句就是volatile。

JVM在看到 volatile 之后呢，就会给被 volatile 修饰的变量加屏障指令。注意这里和缓存一致性协议没有关系，缓存一致性协议是硬件级别的东西，我们现在讲的是 Java 虚拟机中的实现。

JVM中的内存屏障一共有四种，这是JVM的规范：

LoadLoad屏障
StoreStore屏障
LoadStore屏障
StoreLoad屏障

看着有点懵，其实很简单。

以第一个LoadLoad屏障为例，有个一个变量X，它前面一条读命令，它后面也有一条读命令，中间有个LoadLoad屏障，那么前面的读命令和后面的读命令就不能换顺序。

再比如第二个StoreStore屏障，有个一个变量X，它前面有一条写命令，它后面也有一条写命令，中间有个StoreStore屏障，那么前面的写命令和后面的写命令就不能换顺序。

好了后面的两个指令就不用讲了吧。

那么就可以看 volatile 是怎么实现的了，在JVM层面：

对于被 volatile 修饰的变量，在发生写的前面，会加上StoreStore屏障，在后面会加上StoreLoad屏障。意味着前面的写完我才能写，我写完后面的才能读。

对于被 volatile 修饰的变量，在发生读的后面，会加上LoadLoad屏障，和LoadStore屏障。意味着我读完后面的才能读写。

放个图总结下：

从这个表格最后⼀列可以看出，如果第⼆个操作为 volatile 写，不管第⼀个操作是什么，都不能重排序，这就确保了 volatile 写之前的操作不会被重排序到 volatile 写之后。

从这个表格倒数第⼆⾏可以看出，如果第⼀个操作为 volatile 读，不管第⼆个操作是什么，都不能重排序，这确保了 volatile 读之后的操作不会被重排序到 volatile 读之前。

这样就从JVM上保证了变量读写的有序性。