从源代码到Runtime发生的重排序编译器重排序指令重排序内存系统重排序阻止重排序

源代码和Runtime时执行的代码很可能不一样，这是因为编译器、处理器常常会为了追求性能对改变执行顺序。然而改变顺序执行很危险，很有可能使得运行结果和预想的不一样，特别是当重排序共享变量时。

从源代码到Runtime需要经过三步的重排序：

编译器重排序

为了提高性能，在不改变单线程的执行结果下，可以改变语句执行顺序。

比如尽可能的减少寄存器的读写次数，充分利用局部性。像下面这段代码这样，交替的读x、y，会导致寄存器频繁的交替存储x和y，最糟的情况下寄存器要存储3次x和3次y。如果能让x的一系列操作一块做完，y的一块做完，理想情况下寄存器只需要存储1次x和1次y。

//优化前
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int b1 = y * 1;
int a2 = x * 2;
int b2 = y * 2;
int a3 = x * 3;
int b3 = y * 3;

//优化后
int x = 1;
int y = 2;
int a1 = x * 1;
int a2 = x * 2;
int a3 = x * 3;
int b1 = y * 1;
int b2 = y * 2;
int b3 = y * 3;

指令重排序

指令重排序是处理器层面做的优化。处理器在执行时往往会因为一些限制而等待，如访存的地址不在cache中发生miss，这时就需要到内存甚至外存去取，然而内存和外区的读取速度比CPU执行速度慢得多。

早期处理器是顺序执行(in-order execution)的，在内存、外存读取数据这段时间，处理器就一直处于等待状态。现在处理器一般都是乱序执行(out-of-order execution)，处理器会在等待数据的时候去执行其他已准备好的操作，不会让处理器一直等待。

满足乱序执行的条件：

该缓存的操作数缓存好
有空闲的执行单元

对于下面这段汇编代码，操作1如果发生cache miss，则需要等待读取内存外存。看看有没有能优先执行的指令，操作2依赖于操作1，不能被优先执行，操作3不依赖1和2，所以能优先执行操作3。所以实际执行顺序是3>1>2

LDR R1, [R0];//操作1
ADD R2, R1, R1;//操作2
ADD R3, R4, R4;//操作3

内存系统重排序

由于处理器有读、写缓存区，写缓存区没有及时刷新到内存，造成其他处理器读到的值不是最新的，使得处理器执行的读写操作与内存上反应出的顺序不一致。

如下面这个例子，可能造成处理器A读到的b=0，处理器B读到的a=0。A1写a=1先写到处理器A的写缓存区中，此时内存中a=0。如果这时处理器B从内存中读a，读到的将是0。

以处理器A来说，处理器A执行的顺序是A1>A2>A3，但是由于写缓存区没有及时刷新到内存，所以实际顺序为A2>A1>A3。

初始化：
a = 0;
b = 0;

处理器A执行
a = 1; //A1
read(b); //A2

处理器B执行
b = 2; //B1
read(a); //B2

阻止重排序

不论哪种重排序都可能造成共享变量中线程间不可见，这会改变程序运行结果。所以需要禁止对那些要求可见的共享变量重排序。

阻止编译重排序：禁止编译器在某些时候重排序。
阻止指令重排序和内存系统重排序：使用内存屏障或Lock前缀指令