内存屏障

内存屏障(Memory barrier)

为什么会有内存屏障

  • 每个CPU都会有自己的缓存(有的甚至L1,L2,L3),缓存的目的就是为了提高性能,避免每次都要向内存取。但是这样的弊端也很明显:不能实时的和内存发生信息交换,分在不同CPU执行的不同线程对同一个变量的缓存值不同。
  • 用volatile关键字修饰变量可以解决上述问题,那么volatile是如何做到这一点的呢?那就是内存屏障,内存屏障是硬件层的概念,不同的硬件平台实现内存屏障的手段并不是一样,java通过屏蔽这些差异,统一由jvm来生成内存屏障的指令。

内存屏障是什么

  • 硬件层的内存屏障分为两种:Load BarrierStore Barrier即读屏障和写屏障。
  • 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,让缓存中相应的数据失效。
  • 对于Load Barrier来说,在指令前插入Load Barrier,可以让高速缓存中的数据失效,强制从新从主内存加载数据;
  • 对于Store Barrier来说,在指令后插入Store Barrier,能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存,让其他线程可见。

java内存屏障

  • java的内存屏障通常所谓的四种即LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad实际上也是上述两种的组合,完成一系列的屏障和数据同步功能。
  • 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,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。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

volatile语义中的内存屏障

  • volatile的内存屏障策略非常严格保守,非常悲观且毫无安全感的心态:

在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障,在写操作后插入StoreLoad屏障;
在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障,在读操作后插入LoadStore屏障;

  • 由于内存屏障的作用,避免了volatile变量和其它指令重排序、线程之间实现了通信,使得volatile表现出了锁的特性。

final语义中的内存屏障

  • 对于final域,编译器和CPU会遵循两个排序规则:
  1. 新建对象过程中,构造体中对final域的初始化写入和这个对象赋值给其他引用变量,这两个操作不能重排序;(废话嘛)
  2. 初次读包含final域的对象引用和读取这个final域,这两个操作不能重排序;(晦涩,意思就是先赋值引用,再调用final值)
  • 总之上面规则的意思可以这样理解,必需保证一个对象的所有final域被写入完毕后才能引用和读取。这也是内存屏障的起的作用:
  • 写final域:在编译器写final域完毕,构造体结束之前,会插入一个StoreStore屏障,保证前面的对final写入对其他线程/CPU可见,并阻止重排序。
  • 读final域:在上述规则2中,两步操作不能重排序的机理就是在读final域前插入了LoadLoad屏障。
  • X86处理器中,由于CPU不会对写-写操作进行重排序,所以StoreStore屏障会被省略;而X86也不会对逻辑上有先后依赖关系的操作进行重排序,所以LoadLoad也会变省略。
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