java 乱序执行,Java如何解决可见性和有序性的问题？

首先需要了解，为什么会有「可见性」和「时序性」问题，然后我们来看Java是如何解决这两个问题的。

「可见性」和「时序性」问题

导致「可见性」和「时序性」问题的原因有如下几个：

抢占式任务执行：现代CPU执行多任务方式是「抢占式」，它的总控制权在操作系统手中，操作系统会轮流给需要CPU执行的任务分配执行时间片，超过时间后，操作系统会剥夺当前任务的 CPU 使用权，把它排在队列的最后，最后分配时间片……

存储速度差异：各存储执行速度的不同，离CPU越近，存储速度越快，相对的容量就越小。执行程序所需要的数据不可能一次性全部都加载到寄存器中，所以有load与store的过程，影响了所谓的「可见性」

指令重排：大多数现代微处理器都会采用将指令乱序执行(out-of-order execution，简称OoOE或OOE)的方法，在条件允许的情况下，直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据时造成的等待。通过乱序执行的技术，处理器可以大大提高执行效率。除了处理器，常见的Java运行时环境的JIT编译器也会做指令重排序操作，即生成的机器指令与字节码指令顺序不一致。

解决方法

解决思路很简单，就是把多线程强制单线程执行。

解决方法无非两种：

内存屏障

锁

先看下JVM的内存模型，我们基于这个模型来简单说明下

内存屏障

内存屏障在Java中通过volatile关键字体现。volatile会在适当的地方添加下面四种内存屏障。

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。

内存屏障只保证可见性，不保证时序性。也就是说内存屏障只是解决了线程A修改的内容能立刻被线程B读到。

锁

Java中锁按性质分可以分悲观锁和乐观锁。悲观锁基于锁指令实现，乐观锁基于CAS实现。

通过monitorenter和monitorexit两个指令实现悲观锁，这两个指令之间的指令不得重排，且独占。假设线程A和线程B同时执行一段代码，线程A先通过monitorenter获取到了锁，那么在线程A执行monitorexit之前，线程B都只能等待。

CAS即CompareAndSet，Java通过自旋以及CPU层级的指令实现。具体可参考JUC实现。假设有一个变量c，初始值为3。线程A和线程B同时修改这个变量，A，B都同时获取到了变量c的值，A首先进行修改，将值改成了4。B尝试修改，但是发现c的值现在是4而不是3，所以进行自旋等待，然后重新执行修改操作，将4改成了5。

ThreadLocal

最后说下ThreadLocal。ThreadLocal即本地线程变量，也就是将公共的变量直接拿到线程内使用，其中的修改对外不影响。谈不上解决了「可见性」和「时序性」。只是保证了当前线程内的修改不影响其它线程，其它线程的修改也不影响当前线程。导