volatile保证可见性、禁止指令重排原理

别给我加香菜
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有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码，通过查IA-32架 构软件开发者手册可知，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

1）将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。

2）这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

​ 为了提高处理速度，处理器不直接和主内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的 变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现MESI缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

注意：lock前缀指令是同时保证可见性和有序性（也就是禁止指令重排）的

注意：lock前缀指令相当于一个内存屏障

禁止指令重排代码示例：

public class VolatileExample {
    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;

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

    public void reader() {
        if (flag) { // step 3
            System.out.println(a); // step 4
        }
    }
}

在JSR-133之前的旧的Java内存模型中，是允许volatile变量与普通变量重排序的。那上面的案例中，可能就会被重排序成下列时序来执行：

  1. 线程A写volatile变量，step 2，设置flag为true；
  2. 线程B读同一个volatile，step 3，读取到flag为true；
  3. 线程B读普通变量，step 4，读取到 a = 0；
  4. 线程A修改普通变量，step 1，设置 a = 1；

可见，如果volatile变量与普通变量发生了重排序，虽然volatile变量能保证内存可见性，也可能导致普通变量读取错误。

所以在旧的内存模型中，volatile的写-读就不能与锁的释放-获取具有相同的内存语义了。为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。

编译器还好说，JVM是怎么还能限制处理器的重排序的呢？它是通过内存屏障来实现的。

什么是内存屏障？硬件层面，内存屏障分两种：读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）。内存屏障有两个作用：

  1. 阻止屏障两侧的指令重排序；
  2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，或者让缓存中相应的数据失效。

注意这里的缓存主要指的是上文说的CPU缓存，如L1，L2等

保守策略下

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。编译器选择了一个比较保守的JMM内存屏障插入策略，但它可以保证在任意处理器平台，任意的程序中都能 得到正确的volatile内存语义。

再逐个解释一下这几个屏障。注：下述Load代表读操作，Store代表写操作

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，这个屏障会吧Store1强制刷新到内存，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。它的开销是四种屏障中最大的（冲刷写缓冲器，清空无效化队列）。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

对于连续多个volatile变量读或者连续多个volatile变量写，编译器做了一定的优化来提高性能，比如：

第一个volatile读;

LoadLoad屏障；

第二个volatile读；

LoadStore屏障

1、下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图

image.png

图中的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任 意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。这里比较有意思的是，volatile写后面的StoreLoad屏障。此屏障的作用是避免volatile写与 后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面 是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确 实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile 读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个 写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时， 选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率

image.png

图中的LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。 LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。 上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

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