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的结果。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，但并发线程可能在看到新数据之前就看到指示符被设置，从而读取到陈旧的值。Java 内存模型中一些违反直觉的方面会导致类似的陷阱，如第 3 章中描述的错误的双重检查锁定模式。

不同的架构对内存读写重排序的程度提供不同的保证。通常，不建议依赖这些保证，而应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的顺序进行，但这需要付出代价。内存屏障指令（有时称为栅栏）可以刷新写缓冲区，确保在屏障之前发出的所有写入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，只有当处理器在关键部分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。

内存屏障的开销很大（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，所以应适度使用内存屏障，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。

Java 语言本身允许在同步方法或块之外对对象字段的读写进行重排序。Java 提供了 volatile 关键字，可确保在同步块或方法之外对 volatile 对象字段的读写不会被重排序。使用该关键字可能会带来较高的开销，因此也应仅在必要时使用。理论上，可以使用 volatile 字段使双重检查锁定正确工作，但由于