通过示例验证java中的指令重排序问题

一、一个悲伤的故事：

有家宠物店，按照店里规定，喂狗是先投食，狗吃完后, 在狗脖子挂一个牌子，表示狗已喂。
但是实际工作中，有时店员不按这个流程走，可能会先在狗脖子上挂一个牌子，然后再去取狗粮来喂。
某一天，店员在挂好牌子后，去厨房取狗粮，这时狗主人进来，发现狗挂了已喂的牌子，但是狗又饿的汪汪叫。
狗主人质疑店员没有喂，并向市场监督管理局投诉，市场监督局认真调查，发现狗确实没有被喂。
于是根据相关法律法规，关闭了这家店。。。

下面这段程序在线演绎上述故事：

package concurrent;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReOrderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        PetShop petShop = new PetShop();

        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            DogHolder dogHolder = new DogHolder();
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    petShop.feedDog(dogHolder.dog());
                }
            });
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dogHolder.dog().check();
                }
            });
        }

        service.shutdown();
    }

    static class Dog {
        private static int count = 0;
        private final int id = ++count;
        // 是否饲养过
        private boolean hasFeed;
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        private Condition condition = lock.newCondition();
        // 投食量
        private int feetNum;


        /**
         * 按照店里规定，喂狗是先投食，狗吃完后, 在狗脖子挂一个牌子，表示狗已喂。
         *但是实际工作中，有时店员不按这个流程走，可能会先在狗脖子上挂一个牌子，然后再去取狗粮来喂。
         * 某一天，店员在挂好牌子后，去厨房取狗粮，这时狗主人进来，发现狗挂了已喂的牌子，但是狗又饿的汪汪叫。
         * 狗主人质疑店员没有喂，并向市场监督管理局投诉，市场监督局认真调查，发现狗确实没有被喂。
         * 于是根据相关法律法规，关闭了这家店。。。
         */
        public void feed() {
            feetNum = 1;
            hasFeed = true;
        }

        public void check() {
            if (hasFeed) {
                if (feetNum == 0) {
                    System.out.println(this + "的主人震惊了！宠物店说喂了狗但是投食量却是0，这是一家黑心店!!");
                    System.out.println(this + "的主人向市场监督局投诉了这家店!!");
                }
            }
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Dog#" + id;
        }
    }

    // 宠物店
    static class PetShop{
        public PetShop() {
            System.out.println("宠物店开门营业...");
        }

        public void feedDog(Dog dog) {
            dog.feed();
        }
    }

    // 狗主人
    static class DogHolder{
        private Dog dog;

        public DogHolder() {
            this.dog = new Dog();
        }

        public Dog dog(){
            return dog;
        }
    }
}

多次运行程序，出现文章开头的一幕：：

为什么发生上述结果呢？明明feed方法是先喂狗，再给狗挂个牌子，看起来没有问题。

二、 feed方法发生了什么？

输出表示在程序的多次运行中，出现过hasFeed为true，而feetNum仍然等于0的情况，这就验证了java内部指令重排序的情况。
再看下面这个例子：

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b

以A表示a的赋值，B表示b的赋值，C表示相加。
在java程序实际执行中，处于性能优化的目的，A和B的执行顺序可能会颠倒，比如先执行B，再执行A。
但是不管怎么优化，C的执行不会到A或B的前面，也就是说java程序会保证A和B均执行结束，才会执行C。
上述方案，在单线程下不会有任何问题，但是在多线程环境中就不行了，模拟宠物店的程序输出结果也验证了这点。
原因参见下图：
我们以为的流程:

由于指令重排序，实际上可能会发生的流程：

三、如何避免这种情况？

宠物店重新开张后，老板想了个解决办法。
首先不能禁止先挂牌子在喂食这种行为，因为禁止后会降低店员的工作效率，并且行为并没有损害客户的利益，只是容易让客户产生误解。
于是老板想了个好办法，给每只狗加个窗帘遮挡，具体流程如下：

1.准备给狗喂食，把窗帘拉上，让狗主人看不到狗的状态；
2.喂食（先喂食后上牌或者先上牌后喂食均可）；
3.喂食结束，去除窗帘。此后狗主人才可以看到狗的状态。

java中有多重方法实现上述中窗帘的功能。出于演示程序的目的，本文使用ReentrantLock加锁方式解决前述问题。代码如下：

package concurrent;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReOrderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        PetShop petShop = new PetShop();

        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            DogHolder dogHolder = new DogHolder();
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    petShop.feedDog(dogHolder.dog());
                }
            });
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    dogHolder.dog().check();
                }
            });
        }

        service.shutdown();
    }

    static class Dog {
        private static int count = 0;
        private final int id = ++count;
        // 是否饲养过
        private boolean hasFeed;
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 投食量
        private int feetNum;

        public void feed() {
            try {
                lock.lock();
                feetNum = 1;
                hasFeed = true;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        public void check() {
            try {
                lock.lock();
                if (hasFeed) {
                    if (feetNum == 0) {
                        System.out.println(this + "的主人震惊了！宠物店说喂了狗但是投食量却是0，这是一家黑心店!!");
                        System.out.println(this + "的主人向市场监督局投诉了这家店!!");
                    }
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Dog#" + id;
        }
    }

    // 宠物店
    static class PetShop{
        public PetShop() {
            System.out.println("宠物店开门营业...");
        }

        public void feedDog(Dog dog) {
            dog.feed();
        }
    }

    // 狗主人
    static class DogHolder{
        private Dog dog;

        public DogHolder() {
            this.dog = new Dog();
        }

        public Dog dog(){
            return dog;
        }
    }
}

多次运行后，程序结果均如下

至此，我们解决了困扰宠物店老板的问题。
加了锁后，先上牌后喂食的程序运行流程如下：

四、总结

java程序指令运行时存在指令重排序行为，虚拟机保证指令重排序不会影响单线程的执行结果，但不保证多线程下的执行结果符合预期；
多线程环境下，针对共享变量的访问，应当谨慎使用，适当加锁或同步机制，以避免出现数据不一致行为。