詳解Java中的內存屏障

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為什么要有內存屏障

這個(gè)是為了解決因為cpu，高速緩存，主內存出現的時(shí)候，導致的可見(jiàn)性和重序性問(wèn)題，什么問(wèn)題呢，看下面
我們都知道計算機運算任務(wù)需要CPU和內存相互配合共同完成，其中CPU負責邏輯計算，內存負責數據存儲。CPU要與內存進(jìn)行交互，如讀取運算數據、存儲運算結果等。由于內存和CPU的計算速度有幾個(gè)數量級的差距，為了提高CPU的利用率，現代處理器結構都加入了一層讀寫(xiě)速度盡可能接近CPU運算速度的高速緩存來(lái)作為內存與CPU之間的緩沖：將運算需要使用的數據復制到緩存中，讓CPU運算可以快速進(jìn)行，計算結束后再將計算結果從緩存同步到主內存中，這樣處理器就無(wú)須等待緩慢的內存讀寫(xiě)了。就像下面這樣

高速緩存的引入解決了CPU和內存之間速度的矛盾，但是在多CPU系統中也帶來(lái)了新的問(wèn)題：可見(jiàn)性問(wèn)題和重排序問(wèn)題。

首先是可見(jiàn)性問(wèn)題：假設有兩個(gè)線(xiàn)程A、B分別在兩個(gè)不同的CPU上運行，它們共享同一個(gè)變量X。如果線(xiàn)程A對X進(jìn)行修改后，并沒(méi)有將X更新后的結果同步到主內存，則變量X的修改對B線(xiàn)程是不可見(jiàn)的。這樣就會(huì )造成可見(jiàn)性問(wèn)題

然后是重排序問(wèn)題：假設A、B兩個(gè)線(xiàn)程共享兩個(gè)變量X、Y，A和B分別在不同的CPU上運行。在A(yíng)中先更改變量X的值放到高速緩存區，然后再更改變量Y的值放到高速緩存區。這時(shí)有可能發(fā)生Y的值被同步回主內存，而X的值沒(méi)有同步回主內存的情況，此時(shí)對于B線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是無(wú)法感知到X變量被修改的，或者可以認為對于B線(xiàn)程來(lái)說(shuō)，Y變量的修改被重排序到了X變量修改的前面。

就是為了解決上面的多線(xiàn)程里面的可見(jiàn)性和重序性問(wèn)題，所以有了下面的內存屏障技術(shù)

內存屏障的主要組成

首先是硬件上面的內存屏障

• Load屏障，是x86上的”ifence“指令，在其他指令前插入ifence指令，可以讓高速緩存中的數據失效，強制當前線(xiàn)程從主內存里面加載數據
• Store屏障，是x86的”sfence“指令，在其他指令后插入sfence指令，能讓當前線(xiàn)程寫(xiě)入高速緩存中的最新數據更新寫(xiě)入主內存，讓其他線(xiàn)程可見(jiàn)。

Java里面的內存屏障

在java里面有4種，就是 LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad，實(shí)際上也能看出來(lái)，這四種都是上面的兩種的組合產(chǎn)生的

LoadLoad屏障：

舉例語(yǔ)句是Load1; LoadLoad; Load2(這句里面的LoadLoad里面的第一個(gè)Load對應Load1加載代碼，然后LoadLoad里面的第二個(gè)Load對應Load2加載代碼)，此時(shí)的意思就是在Load2加載代碼在要讀取的數據之前，保證Load1加載代碼要從主內存里面讀取的數據讀取完畢。

StoreStore屏障：

舉例語(yǔ)句是 Store1; StoreStore; Store2(這句里面的StoreStore里面的第一個(gè)Store對應Store1存儲代碼，然后StoreStore里面的第二個(gè)Store對應Store2存儲代碼)。此時(shí)的意思就是在Store2存儲代碼進(jìn)行寫(xiě)入操作執行前，保證Store1的寫(xiě)入操作已經(jīng)把數據寫(xiě)入到主內存里面，確認Store1的寫(xiě)入操作對其它處理器可見(jiàn)。

LoadStore屏障：

舉例語(yǔ)句是 Load1; LoadStore; Store2(這句里面的LoadStore里面的Load對應Load1加載代碼，然后LoadStore里面的Store對應Store2存儲代碼)，此時(shí)的意思就是在Store2存儲代碼進(jìn)行寫(xiě)入操作執行前，保證Load1加載代碼要從主內存里面讀取的數據讀取完畢。

舉例語(yǔ)句是 Load1; LoadStore; Store2(這句里面的LoadStore里面的Load對應Load1加載代碼，然后LoadStore里面的Store對應Store2存儲代碼)，此時(shí)的意思就是在Store2存儲代碼進(jìn)行寫(xiě)入操作執行前，保證Load1加載代碼要從主內存里面讀取的數據讀取完畢。

StoreLoad屏障：

舉例語(yǔ)句是Store1; StoreLoad; Load2(這句里面的StoreLoad里面的Store對應Store1存儲代碼，然后StoreLoad里面的Load對應Load2加載代碼)，在Load2加載代碼在從主內存里面讀取的數據之前，保證Store1的寫(xiě)入操作已經(jīng)把數據寫(xiě)入到主內存里面，確認Store1的寫(xiě)入操作對其它處理器可見(jiàn)。

Volatile關(guān)鍵字里面的內存屏障是起作用的

在每個(gè)volatile寫(xiě)操作前插入StoreStore屏障，這樣就能讓其他線(xiàn)程修改A變量后，把修改的值對當前線(xiàn)程可見(jiàn)，在寫(xiě)操作后插入StoreLoad屏障，這樣就能讓其他線(xiàn)程獲取A變量的時(shí)候，能夠獲取到已經(jīng)被當前線(xiàn)程修改的值

在每個(gè)volatile讀操作前插入LoadLoad屏障，這樣就能讓當前線(xiàn)程獲取A變量的時(shí)候，保證其他線(xiàn)程也都能獲取到相同的值，這樣所有的線(xiàn)程讀取的數據就一樣了，在讀操作后插入LoadStore屏障；這樣就能讓當前線(xiàn)程在其他線(xiàn)程修改A變量的值之前，獲取到主內存里面A變量的的值。

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