一個系列：之一

非順序執行：英文稱作 Out-of-order execution，也稱亂序執行。是一種在高性能CPU設計中所廣泛采用的技術。這個技術企圖最大限度的利用CPU的各個周期，改變指令的執行順序，以降低慢操作或其他操作造成的延遲。這里所說的改變執行順序，是CPU的行為，不是編譯器的行為！

外面的世界總是充滿了危險性，因此在開始探險之前應該做好充分的準備。即使有些準備怎么看來也是多余的，但在關鍵時刻卻能發揮很大的用途. 我現在即將去冒險，這途中可能會遇到很多有趣的事情，收獲，也會接到。不過這都無所謂，是我為成功的準備（匹克運動鞋廣告？！）。
控制論中，線性行為是最簡單的。而我發現世界喜歡簡單的東西于是有了我喜歡線性系統的說法。事情在CPU的世界中本來也是這樣進行的。可是有一天，我們發現線性是“低效”的（請注意這個引號）。為什么呢？因為指令總是必須搭乘固定時刻的車走，如果恰巧車來的時候排在前面的人不上，則會浪費一到幾趟車的時間（當然，這個比喻并不恰當），于是我想，我是不是可以加塞兒？雖然這可能得到眾人的強烈鄙視，但是卻可以最大限度的利用這有限的資源。于是線性的世界被打破了。隊列中出現了不可預測的加塞兒現象，稱為“非順序執行（Out-of-order execution）”。眾多的學者在上世紀70到80年代在這個問題上進行了眾多的研究。大家都知道，研究人員喜歡作定義以便交流，于是我們也做個定義。

非順序執行：英文稱作 Out-of-order execution，也稱亂序執行。是一種在高性能CPU設計中所廣泛采用的技術。這個技術企圖最大限度的利用CPU的各個周期，改變指令的執行順序，以降低慢操作或其他操作造成的延遲。這里所說的改變執行順序，是CPU的行為，不是編譯器的行為！

支持非順序執行的處理器出現的很早（1960）但是我們耳熟能詳的卻是在1995年出現的一代“劃時代的與垃圾的”處理器（Intel Pentium Pro），與AMD K5處理器（1996）。此后，亂序執行被一代代高性能處理器視為必須擁有的功能而流傳至今（如果你對亂序執行的算法感興趣，可以看看較早的亂序算法--Tomasulo算法。）
與現實世界中讓人厭煩的加塞兒不同，處理器中的亂序執行讓人看起來好像就像順序執行一樣，邏輯并沒有發生絲毫改變。于是我們為這個偉大的發現歡欣鼓舞了很長時間。但是有一天，聰明的程序員試圖用多線程（可能一開始是為了解決用戶界面阻塞的問題）時卻發生了令人困擾的錯誤。結果，困擾的原因是我們第一句話漏了三個字：單線程。實際上，CPU的亂序執行能力保證在單線程環境下改變執行的邏輯。例如以下的代碼片段（我們的默認語言是C#因為這是一個.NET博客）：

(我們認為，測試環境是在 IA-32 平臺或者 IA-64 平臺之下，在.NET環境下)

問題是，以上的代碼果真會按如程序所示的順序執行么？實際上可能是以下的順序。

但是從單線程的邏輯上來看，兩種執行順序完成后都是同樣的一個效果。但是在多線程環境下，由于執行順序的改變就可能造成問題了！！
慢！可能現在已經要暈了。你最關心的可能并不是后果是什么，而是關心這種順序的改變是誰造成的，什么時候造成的。我們首先明確一下順序的概念。順序有三種：

（1）程序順序：指在特定CPU上運行的，執行內存操作的代碼的順序。
（2）執行順序：指在CPU上執行的獨立的內存相關的代碼執行的順序。執行順序和程序順序可能不同，這種不同是編譯器和CPU優化造成的結果。我們上述所謂的執行亂序就是指執行順序中，由CPU帶來的執行順序的改變。
（3）感知順序：指特定的CPU感知到他自身的或者其他CPU對內存進行操作的順序。感知順序和執行順序可能還不一樣。這是由于緩存優化或者內存優化系統造成的。

用白話說就是這個樣子的：

話說你某一天編寫了一段代碼-->你在編譯器上進行編譯發現很順利(但是在編譯的過程中可能你的代碼順序已經被改變了，這種改變應該屬于執行順序改變)-->你試圖運行目標代碼(目標文件中的代碼的順序應該是程序順序)-->你的代碼開始被執行（但是執行過程中CPU對內存操作進行了亂序，這屬于執行順序的改變，也是我們上述例子不斷在說的事情）-->你的部分代碼執行完畢之后各個CPU對執行結果的感知的順序可能也是不同的（例如，CPU 1操作了內存單元1進而操作了內存單元2，但是另一個CPU先看到了內存單元2的改變而后又看到了內存單元1的改變）。

結論：我們探討的問題是“執行順序”中由CPU改變的那一部分。

好的，在我們繼續討論之前我們可以探討一下，我們的Daily Work中有哪些行為可能會對上述的各種順序造成影響呢？列個不完全清單（注意！我們討論的模型還是在.NET內存模型下）：

（1）當你使用 volatile 的時候的時候，你阻止了編譯器對相應內存代碼的優化。阻止了大部分的編譯器造成的執行順序的改變。但是你根本不能夠阻止CPU對執行順序的改變（除非處理器有意如此，例如IA-64處理器會在volatile訪問時安插Memory Fence）！因此Intel技術博客上有文章指出：“volatile 對于多線程編程幾乎沒有任何用處”。
（2）當你使用Memory Barrier或者Memory Fence的時候你從某種程度上（取決于你使用了哪一種）阻止了CPU和編譯器對執行順序的改變。

好了，這就是第一篇。目的是說明：在上路之前還有好多準備工作要做。下一篇就具體針對.NET環境說說如何應對Out of order execution。