如何证明CPU指令是乱序执行的呢？

双击QQ.exe从磁盘加载到内存里面，内存里面就会有了一个进程，进程产生的时候会产生一个主线程，就是main方法所在的线程，cpu会找到main开始的地方，把它的指令读取过来放到程序计数器，把数据放到寄存器，然后ALU开始做计算，一步一步来执行整个程序，这就是普通程序执行的过程。

cpu速度要比内存的速度快100倍，中间有各种各样的缓存，最常见的是三级缓存，由于它的速度非常快，在执行指令的时候也会有一些优化，比如现在有2条指令，一个是mov指令即从内存中读取一个数据到某一个寄存器中，第二个指令是把寄存器中的指令数值加1，如果严格按照前后写的效率执行，会发现它的效率比较低；第一条指令从内存中读数据出来，cpu等待99个时间周期，如果读完第一个指令之后，才可以执行第二个指令的话，cpu将会有99个空档期，所以现在的cpu设计是流水线式的设计（采用流水线式后，并没有加速单条指令的执行，每条指令的操作步骤一个也不能少，只是多条指令的不同操作步骤同时执行，因而从总体上看加快了指令流速度，缩短了程序执行时间），发送一条指令在等待内存数据返回的过程当中，会把后面这条指令执行了即后面的指令跑到前面先执行了，简单称为cpu的乱序执行，主要是为了提高效率，在等待费时的指令执行的时候，优先执行后面的指令。

证明cpu乱序执行是存在的

这里有个死循环，每一次循环都会把这4个值（x、y、a、b）设置为0，每一次循环都会起2个线程，第一个线程会执行a=1、x=b，第二个线程会执行b=1、y=a；假设所有的语句都是按照顺序执行的，从多线程微观的角度进行时间顺序上的排列组合，你会发现会有各种各样的组合场景：

比如第一种组合，

第一种组合先执行a=1、x=b，后执行b=1、y=a，得到的结果是x=0、y=1。

这6种排列组合的结果无论如何都不可能得到x=0、y=0的情况即只要按照顺序执行，绝对不会出现x=0、y=0。

这是数学上的排列组合，但cpu执行指令的时候未必是按照顺序执行的。

出现x=0、y=0的情况比较少见，为什么这么难出现？什么样的组合下才会出现？

跑了270多万次才出现了一次x=0、y=0的情况，

这两种是乱序执行的排列组合，比如第一个场景是线程1先执行x=b、线程2执行y=a，切换到线程1执行a=1，切换到线程2执行b=1，结果是x=0、y=0。

只有这2种场景，2个线程的这2个指令都得颠倒顺序才会出现，这种很难出现，不管怎样，得出一个结论：cpu内部是乱序执行的。

单线程的情况下，2个指令乱了顺序执行没有关系，反正最终的结果是一样的，但是在多线程的情况下，非常有可能出现你不想看到的情形，比如x=0、y=0的情况，比如在预知中没有这种情况，但是多线程的情况下，会出现，所以一定会影响整个多线程程序的运行，单线程的程序不会影响。

有了as-if-serial（看上去像序列化的）指令就可以随便变换顺序，只要维持最终一致性即可；单线程的重排序只需要保证最终的一致性，比如a=b、y=1，随便重排序，只要能保证单线程的最终一致性。

审核编辑：刘清