內存屏障

內存屏障（Memory barrier）

爲什麼會有內存屏障

• 每個CPU都會有自己的緩存（有的甚至L1,L2,L3），緩存的目的就是爲了提高性能，避免每次都要向內存取。但是這樣的弊端也很明顯：不能實時的和內存發生信息交換，分在不同CPU執行的不同線程對同一個變量的緩存值不同。
• 用volatile關鍵字修飾變量可以解決上述問題，那麼volatile是如何做到這一點的呢？那就是內存屏障，內存屏障是硬件層的概念，不同的硬件平臺實現內存屏障的手段並不是一樣，java通過屏蔽這些差異，統一由jvm來生成內存屏障的指令。

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內存屏障是什麼

• 硬件層的內存屏障分爲兩種：Load Barrier 和 Store Barrier即讀屏障和寫屏障。
• 內存屏障有兩個作用：

1. 阻止屏障兩側的指令重排序；
2. 強制把寫緩衝區/高速緩存中的髒數據等寫回主內存，讓緩存中相應的數據失效。

• 對於Load Barrier來說，在指令前插入Load Barrier，可以讓高速緩存中的數據失效，強制從新從主內存加載數據；
• 對於Store Barrier來說，在指令後插入Store Barrier，能讓寫入緩存中的最新數據更新寫入主內存，讓其他線程可見。

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java內存屏障

• java的內存屏障通常所謂的四種即LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad實際上也是上述兩種的組合，完成一系列的屏障和數據同步功能。
• LoadLoad屏障：對於這樣的語句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及後續讀取操作要讀取的數據被訪問前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
• StoreStore屏障：對於這樣的語句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及後續寫入操作執行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。
• LoadStore屏障：對於這樣的語句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及後續寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。
• StoreLoad屏障：對於這樣的語句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及後續所有讀取操作執行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數處理器的實現中，這個屏障是個萬能屏障，兼具其它三種內存屏障的功能

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volatile語義中的內存屏障

• volatile的內存屏障策略非常嚴格保守，非常悲觀且毫無安全感的心態：

在每個volatile寫操作前插入StoreStore屏障，在寫操作後插入StoreLoad屏障；
在每個volatile讀操作前插入LoadLoad屏障，在讀操作後插入LoadStore屏障；

• 由於內存屏障的作用，避免了volatile變量和其它指令重排序、線程之間實現了通信，使得volatile表現出了鎖的特性。

final語義中的內存屏障

• 對於final域，編譯器和CPU會遵循兩個排序規則：

1. 新建對象過程中，構造體中對final域的初始化寫入和這個對象賦值給其他引用變量，這兩個操作不能重排序；（廢話嘛）
2. 初次讀包含final域的對象引用和讀取這個final域，這兩個操作不能重排序；（晦澀，意思就是先賦值引用，再調用final值）

• 總之上面規則的意思可以這樣理解，必需保證一個對象的所有final域被寫入完畢後才能引用和讀取。這也是內存屏障的起的作用：
• 寫final域：在編譯器寫final域完畢，構造體結束之前，會插入一個StoreStore屏障，保證前面的對final寫入對其他線程/CPU可見，並阻止重排序。
• 讀final域：在上述規則2中，兩步操作不能重排序的機理就是在讀final域前插入了LoadLoad屏障。
• X86處理器中，由於CPU不會對寫-寫操作進行重排序，所以StoreStore屏障會被省略；而X86也不會對邏輯上有先後依賴關係的操作進行重排序，所以LoadLoad也會變省略。

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