并发高？可能是编译优化引发有序性问题

湛蓝之海

摘要：CPU为了对程序进行优化，会对程序的指令进行重排序，此时程序的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致，这就可能会引起有序性问题。

本文分享自华为云社区《【高并发】解密导致并发问题的第三个幕后黑手——有序性问题》，作者：冰 河 。
有序性
有序性是指：按照代码的既定顺序执行。
说的通俗一点，就是代码会按照指定的顺序执行，例如，按照程序编写的顺序执行，先执行第一行代码，再执行第二行代码，然后是第三行代码，以此类推。如下图所示。

指令重排序
编译器或者解释器为了优化程序的执行性能，有时会改变程序的执行顺序。但是，编译器或者解释器对程序的执行顺序进行修改，可能会导致意想不到的问题！
在单线程下，指令重排序可以保证最终执行的结果与程序顺序执行的结果一致，但是在多线程下就会存在问题。
如果发生了指令重排序，则程序可能先执行第一行代码，再执行第三行代码，然后执行第二行代码，如下所示。

例如下面的三行代码。

int x = 1; 
int y = 2;
int z = x + y;

CPU发生指令重排序时，能够保证x=1和y = 2这两行代码在z = x + y这行代码的上面，而x = 1和 y = 2的顺序就不一定了。在单线程下不会出现问题，但是在多线程下就不一定了。
有序性问题
CPU为了对程序进行优化，会对程序的指令进行重排序，此时程序的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致，这就可能会引起有序性问题。
在Java程序中，一个经典的案例就是使用双重检查机制来创建单例对象。例如，在下面的代码中，在getInstance()方法中获取对象实例时，首先判断instance对象是否为空，如果为空，则锁定当前类的class对象，并再次检查instance是否为空，如果instance对象仍然为空，则为instance对象创建一个实例。

package io.binghe.concurrent.lab01;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 测试单例
 */
public class SingleInstance {
  private static SingleInstance instance;
  public static SingleInstance getInstance(){
    if(instance == null){
      synchronized (SingleInstance.class){
        if(instance == null){
          instance = new SingleInstance();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
}

如果编译器或者解释器不会对上面的程序进行优化，整个代码的执行过程如下所示。

注意：为了让大家更加明确流程图的执行顺序，我在上图中标注了数字，以明确线程A和线程B执行的顺序。
假设此时有线程A和线程B两个线程同时调用getInstance()方法来获取对象实例，两个线程会同时发现instance对象为空，此时会同时对SingleInstance.class加锁，而JVM会保证只有一个线程获取到锁，这里我们假设是线程A获取到锁。则线程B由于未获取到锁而进行等待。接下来，线程A再次判断instance对象为空，从而创建instance对象的实例，最后释放锁。此时，线程B被唤醒，线程B再次尝试获取锁，获取锁成功后，线程B检查此时的instance对象已经不再为空，线程B不再创建instance对象。
上面的一切看起来很完美，但是这一切的前提是编译器或者解释器没有对程序进行优化，也就是说CPU没有对程序进行重排序。而实际上，这一切都只是我们自己觉得是这样的。
在真正高并发环境下运行上面的代码获取instance对象时，创建对象的new操作会因为编译器或者解释器对程序的优化而出现问题。也就是说，问题的根源在于如下一行代码。

instance = new SingleInstance();

对于上面的一行代码来说，会有3个CPU指令与其对应。
1.分配内存空间。
2.初始化对象。
3.将instance引用指向内存空间。
正常执行的CPU指令顺序为1—>2—>3，CPU对程序进行重排序后的执行顺序可能为1—>3—>2。此时，就会出现问题。
当CPU对程序进行重排序后的执行顺序为1—>3—>2时，我们将线程A和线程B调用getInstance()方法获取对象实例的两种步骤总结如下所示。
【第一种步骤】
（1）假设线程A和线程B同时进入第一个if条件判断。
（2）假设线程A首先获取到synchronized锁，进入synchronized代码块，此时因为instance对象为null，所以，此时执行instance = new SingleInstance()语句。
（3）在执行instance = new SingleInstance()语句时，线程A会在JVM中开辟一块空白的内存空间。
（4）线程A将instance引用指向空白的内存空间，在没有进行对象初始化的时候，发生了线程切换，线程A释放synchronized锁，CPU切换到线程B上。
（5）线程B进入synchronized代码块，读取到线程A返回的instance对象，此时这个instance不为null，但是并未进行对象的初始化操作，是一个空对象。此时，线程B如果使用instance，就可能出现问题！！！
【第二种步骤】
（1）线程A先进入if条件判断，
（2）线程A获取synchronized锁，并进行第二次if条件判断，此时的instance为null，执行instance = new SingleInstance()语句。
（3）线程A在JVM中开辟一块空白的内存空间。
（4）线程A将instance引用指向空白的内存空间，在没有进行对象初始化的时候，发生了线程切换，CPU切换到线程B上。
（5）线程B进行第一次if判断，发现instance对象不为null，但是此时的instance对象并未进行初始化操作，是一个空对象。如果线程B直接使用这个instance对象，就可能出现问题！！！
在第二种步骤中，即使发生线程切换时，线程A没有释放锁，则线程B进行第一次if判断时，发现instance已经不为null，直接返回instance，而无需尝试获取synchronized锁。
我们可以将上述过程简化成下图所示。

总结
导致并发编程产生各种诡异问题的根源有三个：缓存导致的可见性问题、线程切换导致的原子性问题和编译优化带来的有序性问题。我们从根源上理解了这三个问题产生的原因，能够帮助我们更好的编写高并发程序。

点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~