JAVA内存屏障

指令重排序

程序在运行时内存实际的访问顺序和程序代码编写的访问顺序不一定一致，这就是内存乱序访问。内存乱序访问行为出现的理由是为了提升程序运行时的性能。这种内存乱序问题主要是由两种原因引起的：

• 1.写内存屏障(Store Memory Barrier): 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, 让其他线程可见强制写入主内存, 这种显示调用, CPU就不会因为性能考虑而进行指令重排。

• 2.读内存屏障(Load Memory Barrier): 在指令前插入Load Barrier, 可以让高速缓存中的数据失效, 强制从新从主内存读取数据强制读取主内存内容, 让CPU缓存和主内存保持一致, 避免了缓存导致的一致性问题。

什么是内存屏障

内存屏障（Memory Barrier）与内存栅栏（Memory Fence）是同一个概念，不同的叫法。

内存屏障（memory barrier）是一个CPU指令。该指令可以确保一些特定操作执行的顺序 影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。为了禁止编译器和CPU对代码进行重排序，在编译器和CPU层面上都有对应的指令。
作用

• 强制cpu将store buffer中的内容写入到cacheline中

• 强制cpu将invalidate queue中的请求处理完毕
  类型

• 内存屏障是为了解决在cacheline上的操作重排序问题。

  • 编译器在编译时进行了编译优化，导致指令重排；
  • 在多cpu环境下，为了尽可能地避免处理器访问主内存的时间开销，处理器大多会利用缓存(cache)以提高性能。在这种模型下会存在一个现象，即缓存中的数据与主内存的数据并不是实时同步的，各CPU（或CPU核心）间缓存的数据也不是实时同步的。这导致在同一个时间点，各CPU所看到同一内存地址的数据的值可能是不一致的。从程序的视角来看，就是在同一个时间点，各个线程所看到的共享变量的值可能是不一致的。

内存屏障可以被分为以下几种类型
Store：将处理器缓存的数据刷新到内存中。
Load：将内存存储的数据拷贝到处理器的缓存中。

• 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。

JDK中的内存屏障
Java在Unsafe类中提供了三个内存屏障函数。

public final class Unsafe{
	***

	public native void loadFence();
	public native void storeFence();
	public native void fullFence();

	***
}

这三个屏障并不是最基本的内存屏障。在理论层面，可以把基本的CPU内存屏障分为四种：

• LoadLoad：禁止读和读的重排序
• StoreStore：禁止写与写的重排序
• LoadStore：禁止读和写的重排序
• StoreLoad：禁止写和读的重排序

在JDK9中对JDK定义的三种内存屏障与理论层面划分的四类内存屏障之间的对应进行了说明:

• loadFence = LoadLoad+LoadStore
• storeFence = StoreStore+LoadStore
• fullFence = StoreStore+LoadStore+StoreLoad

由于不同的CPU架构不同，重排序的策略不同，所提供的内存屏障也有差异。

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。

synchronized和volatile

1、Java语言为了解决并发编程中存在的原子性、可见性和有序性问题，提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如synchronized、volatile、final、concurren包等。

2、synchronized通过加锁的方式，使得其在需要原子性、可见性和有序性这三种特性的时候都可以作为其中一种解决方案，看起来是“万能”的。的确，大部分并发控制操作都能使用synchronized来完成。

3、volatile通过在volatile变量的操作前后插入内存屏障的方式，保证了变量在并发场景下的可见性和有序性。

4、volatile关键字是无法保证原子性的，而synchronized通过monitorenter和monitorexit两个指令，可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问，即可保证不会出现CPU时间片在多个线程间切换，即可保证原子性。

volatile有一个很好的附加功能，那就是禁止指令重排。

• synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。
• as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序，单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化，都必须遵守as-if-serial语义。
• synchronized保证的有序性是多个线程之间的有序性，即被加锁的内容要按照顺序被多个线程执行。但是其内部的同步代码还是会发生重排序，只不过由于编译器和处理器都遵循as-if-serial语义，所以我们可以认为这些重排序在单线程内部可忽略。

原文链接：https://www.hollischuang.com/archives/3928

volatile保证原子性吗？

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

• 假如某个时刻变量inc的值为10，

• 线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

• 然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

• 然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

• 那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解释到这里，可能有朋友会有疑问，不对啊，前面不是保证一个变量在修改volatile变量时，会让缓存行无效吗？然后其他线程去读就会读到新的值，对，这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则，但是要注意，线程1对变量进行读取操作之后，被阻塞了的话，并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的，但是线程1没有进行修改，所以线程2根本就不会看到修改的值。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_25235871/article/details/113349653