1. 原因原理

CPU发生指令重排序的原因主要是因为CPU的运行速度远远高于其他设备。大概CPU的运行速度是内存的100倍。时硬盘的1000000倍。假如说。CPU要从硬盘读取一个数据，那么CPU发出读取指令后就会一直等待很长很长时间，CPU只能在那干等，其实等待的这个时间CPU可以做很多事情。所以会有指令重排序的出现。就是CPU自己认为不相干的两条指令，他可以打乱执行列表的顺序来执行。已达到提高执行效率的目的。
比如说下面的指令列表：

读取内存数据到变量A上
将读取到的A+1
计算1+2的结果
计算3+4的结果

发生指令重排序之后的顺序可能是这样的：

读取内存数据到 A上
计算1+2的结果
计算3+4的结果
将读取到的A+1

需要的注意的是：只有CPU自己认为是两条不相干的指令才会发生重排序，假若第二条指令需要第一条指令的结果那个就不会发生指令重排序。

2. 乱序执行的证明

public class Disorder {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b =0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for(;;) {
            i++;
            x = 0; y = 0;
            a = 0; b = 0;
            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    //由于线程one先启动，下面这句话让它等一等线程two. 读着可根据自己电脑的实际性能适当调整等待时间.
                    //shortWait(100000);
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });
            Thread other = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            one.start(); other.start();
            one.join();  other.join();
            if(x == 0 && y == 0) {
                String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
                System.err.println(result);
                break;
            }
        }
    }
}

3. 禁止CPU乱序执行

3.1 CPU层面禁止

Intel的CPU使用CPU原语(mfence lfence sfence) 或者锁总线
sfence(save fence) : 写屏障，sfence 前的写操作指令必须在sfence 后的写操作指令之前完成。
lfence(load fence) : 读屏障，lfence 前读操作的指令必须在lfence 后的读操作指令之前完成。
mfence(save fence) : 读写屏障，mfence 的读写指令必须在mfence 后的读写指令之前完成。

3.2 汇编层面禁止

LOCK指令前缀会设置处理器的LOCK#信号（译注：这个信号会使总线锁定，阻止其他处理器接管总线访问内存），直到使用LOCK前缀的指令执行结束，这会使这条指令的执行变为原子操作。在多处理器环境下，设置LOCK#信号能保证某个处理器对共享内存的独占使用。

原子指令，如x86上的”lock …” 指令是一个Full Barrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU。Software Locks通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持程序顺序

3.3 JVM层面禁止

8个hanppens-before原则
4个内存屏障（LL LS SL SS）
as-if-serial : 不管硬件什么顺序，单线程执行的结果不变，看上去像是serial

JVM级别如何规范（JSR133）

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。

volatile的实现细节:

字节码层面使用了JVM的指令：ACC_VOLATILE
JVM层面 volatile内存区的读写操作前后都加了屏障指令。

StoreStoreBarrier屏障 volatile 写操作 StoreLoadBarrier屏障

LoadLoadBarrier屏障 volatile 读操作 LoadStoreBarrier屏障

对于OC来讲，JVM再复杂也只是一个应用程序，所以不管JVM如何实现内存屏障，都要依赖于底层的内存屏障(OS+汇编+硬件)实现。

Java 学习笔记