47、多处理器硬件同步指令与相关概念解析

多处理器硬件同步指令与相关概念解析

1. 内存读写重排序问题

在多线程编程中，单个线程对内存的读写操作可能会被重排序。这种重排序在单线程程序中是不可见的，但在多线程程序中可能会产生意外后果。例如，一个线程填充缓冲区数据后设置指示符标记缓冲区已满，并发线程可能在看到新数据之前就看到指示符被设置，从而读取到陈旧值。Java 内存模型中一些违反直觉的方面会导致类似问题，如第 3 章提到的错误的双重检查锁定模式。

不同架构对内存读写重排序的保证程度不同。一般来说，最好不要依赖这些保证，而是使用更可靠的技术来防止重排序。所有架构都允许强制写入操作按发出顺序执行，但这需要付出代价。

1.1 内存屏障指令

内存屏障指令（有时称为栅栏）可以刷新写缓冲区，确保屏障之前发出的所有写入操作对发出屏障的处理器可见。原子的读 - 修改 - 写操作（如 getAndSet() ）或标准并发库通常会透明地插入内存屏障。因此，只有当处理器在临界区之外对共享变量执行读写指令时，才需要显式使用内存屏障。

内存屏障的开销较大，可能需要数百个周期甚至更多，因此应仅在必要时使用。另一方面，同步错误很难追踪，所以应适当使用内存屏障，而不是依赖复杂的特定平台对内存指令重排序限制的保证。

1.2 Java 中的 volatile 关键字

Java 语言允许在同步方法或块之外对对象字段的读写操作进行重排序。Java 提供了 volatile 关键字，确保在同步块或方法之外对 volatile 对象字段的读写操作不会被重排序。使用该关键字的开销也较大，因此