Java虚拟机之内存屏障/内存栅栏

内存屏障（Memory Barrier）也被称为内存栅栏或内存隔离墙，是一种用于控制多处理器系统中内存访问顺序的同步机制，用于防止CPU和编译器的优化行为导致内存访问顺序的改变。在多线程编程中，由于处理器和编译器可能会对指令进行重排序以优化性能，这可能会引起多线程间的同步问题。内存屏障可以用来解决这类问题，确保所有线程都能看到一致的内存状态。

1. 即内存屏障的作用：

• 防止指令重排：编译器和处理器可能会对指令进行重排以优化性能，但这种重排有时会破坏多线程程序的正确性。内存屏障可以阻止这种重排，确保指令按照程序员期望的顺序执行。
• 确保数据可见性：在多处理器系统中，每个处理器都有自己的缓存。当一个处理器修改了共享数据时，其他处理器可能无法立即看到这个变化。内存屏障可以强制将缓存中的数据写回主内存，并使其他处理器的缓存失效，从而确保数据的可见性。

2. 内存屏障的几种类型：

1. Load Barrier（读屏障）：

   • 也被称为“Store Store”屏障，它确保在该屏障之前的所有写操作都完成之后，才能执行该屏障之后的写操作。这有助于防止由于指令重排导致的写操作顺序混乱。简单的说：确保在此操作之前的所有读操作都已经完成。

2. Store Barrier（写屏障）：

   • 也被称为“Load Load”或“Load Store”屏障，它确保在该屏障之前的所有读操作都完成之后，才能执行该屏障之后的读操作。这有助于确保读取到的数据是最新的。简单的说：确保在此操作之前的所有写操作都已经完成。
     

3. Full Barrier（全屏障）：

   • 也被称为“Store Load”屏障，它同时具有写屏障和读屏障的效果，即在该屏障之前的所有读写操作都完成之后，才能执行该屏障之后的读写操作。全屏障提供了最强的同步效果，但也带来了最大的性能开销。简单的说：确保在此操作之前的所有读写操作都已经完成。

另外还有

4. Write-Load Barrier（写-读屏障）：

   • 确保在此写操作之后的所有读操作都能看到此次写操作的结果。

5. Read-Write Barrier（读-写屏障）：

   • 确保在此读操作之后的所有写操作都不会重排序到此读操作之前。

在Java中，volatile关键字的实现就涉及到了内存屏障。当一个变量被声明为volatile时，JVM会在这个变量的读写操作前后插入特定的内存屏障指令，以保证其操作的原子性和可见性。具体来说：

• 对一个volatile变量的写操作，会先执行一个Store Barrier，然后再执行写操作。
• 对一个volatile变量的读操作，会先执行读操作，然后再执行一个Load Barrier。

这样，volatile关键字就能确保对变量的读写操作不会被重排序，并且能够立即对其他线程可见。

除了volatile关键字外，Java中的synchronized关键字和java.util.concurrent包中的锁机制也隐式地使用了内存屏障来保证线程安全。

3. 内存屏障与JMM的关系

在Java内存模型（JMM）中，内存屏障被用来实现可见性和有序性。例如，volatile关键字的实现就依赖于内存屏障。当一个变量被声明为volatile时，JVM会在其读写操作前后插入相应的内存屏障，以确保数据的可见性和有序性。

此外，synchronized关键字和Lock接口的实现也涉及内存屏障的使用。它们通过锁机制确保同一时刻只有一个线程能够访问共享资源，并在此过程中插入内存屏障来维护内存的一致性。

4. 内存屏障的性能考虑

虽然内存屏障对于确保多线程程序的正确性至关重要，但过多地使用它们也会带来性能开销。因为内存屏障会阻止编译器和处理器进行某些优化，从而降低程序的执行效率。因此，在编写多线程程序时，需要权衡正确性和性能之间的关系，合理地使用内存屏障。

所以内存屏障强大的同步机制可以用于控制多处理器系统中内存访问的顺序和可见性。通过合理地使用内存屏障，可以确保多线程程序的正确性和稳定性。