重排序

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。

1. 数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。

编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。

这里所说的数据依赖性仅针对单个处理器中执行的指令序列和单个线程中执行的操作，不同处理器之间和不同线程之间的数据依赖性不被编译器和处理器考虑。

2. as-if-serial语义

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）
程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

请看下面计算圆面积的代码示例：

double pi = 3.14; // A
double r = 1.0; // B
double area = pi * r * r; // C

A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变）。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。

3. 程序顺序规则

根据happens-before的程序顺序规则，上面计算圆的面积的示例代码存在3个happens-
before关系：

1）A　happens-before B。
2）B　happens-before C。
3）A　happens-before C。

这里A happens-before B，但实际执行时B却可以排在A之前执行。如果A happens-before B，JMM并不要求A一定要在B之前执行。JMM仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。

这里操作A的执行结果不需要对操作B可见；而且重排序操作A和操作B后的执行结果，与操作A和操作B按happens-before顺序执行的结果一致。在这种情况下，JMM会认为这种重排序并不非法，JMM允许这种重排序。

4. 重排序对多线程的影响

class ReorderExample{

    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void writer(){
        a = 1;                    // 1
        flag = true;              // 2
    }

    public void reader(){
        if(flag){                 // 3
            int i = a*a;          // 4
            ....
        }
    }
}

这里假设有两个线程A和B，A首先执行writer()方法，随后B线程接着执行reader()方法。线程B在执行操作4时，能否看到线程A在操作1对共享变量a的写入呢?

答案是：不一定能看到。

操作1和操作2没有数据依赖关系，操作3和操作4没有数据依赖关系，编译器和处理器可以分别对这两个操作重排序。

操作1和操作2重排序：

graph LR
flag=true-->a=1

if(flag)-->i=a*a

操作3和操作4重排序：

graph LR
a=1-->flag=true

temp=a*a-->if(flag) 
if(flag)-->i=temp

操作3和操作4存在控制依赖关系。

当代码中存在控制依赖性时，会影响指令序列执行的并行度。为此，编译器和处理器会采用猜测（Speculation）执行来克服控制相关性对并行度的影响。

以处理器的猜测执行为例，执行线程B的处理器可以提前读取并计算a*a，然后把计算结果临时保存到一个名为重排序缓冲（Reorder Buffer，ROB）的硬件缓存中。当操作3的条件判断为真时，就把该计算结果写入变量i中。

在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果（这也是 as-if-serial 语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因）；但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。