【JUC】十九、volatile与内存屏障

1、volatile的两大特性

被volatile修饰的变量有两大特点：

• 可见性
• 有序性

关于volatile的可见性，也即volatile的内存语义：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地工作内存中的共享变量值立即刷新回主内存中，前面的修改对后面所有线程是可见的。

这一条算是对应了前面说到的线程工作内存里的修改没来得及刷到主内存就被挂起引起的问题。

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存设置为无效，重新回到主内存中读取最新共享变量。

所以volatile的写内存语义是直接立马刷新到主内存中，读的内存语义是直接从主内存中读取。再说有序性，即禁止进行重排。

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段，有时候会改变程序语句的先后顺序，重排后的指令不能改变原有的串行语义，因此不存在数据的依赖关系，则可以重排序，反之，禁止重排序。

而volatile可以保证可见性和有序性的依靠 ⇒ 内存屏障Memory Barrier

2、volatile的四大内存屏障

类比到生活，没有管控，顺序难保，一片混乱：

因此考虑设定规则，禁止乱序，比如武警人墙：

再比如强制排队的围栏，防止混乱和插队导致的冲突：

内存屏障(也称内存栅栏，屏障指令），是一类同步屏障指令，这些指令就是上面的一个个组成人墙的警察，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作，避免代码重排序。

内存屏障其实就是一种JVM指令，Java内存模型的重排规则会要求Java编译器在生成JVM指令时插入特定的内存屏障指令，通过这些内存屏障指令，volatile实现了Java内存模型中的可见性和有序性(禁重排)，但volatile无法保证原子性。

内存屏障实现可见性是因为它的出现代表着：

• 内存屏障之前的所有与操作都要回写到主内存

• 内存屏障之后的所有读操作都能获得内存屏障之前的所有写操作的最新结果

更细致的说是：

• 写屏障 (Store Memory Barrier)：告诉处理器在写屏障之前将所有存储在高速缓存(store bufferes)中的数据同步到主内存。也就是说当看到Store屏障指令，就必须把该指令之前所有写入指令执行完毕才能继续往下执行。

• 读屏障(Load Memory Barrier)：会让工作内存或CPU高速缓存当中的缓存数据失效，也就是说在Load屏障指令之后就能够保证后面的读取数据指令一定能够读取到最新的数据。

因此重排序时，不允许把内存屏障之后的指令重排序到内存屏障之前。一句话：对一个volatile变量的写，先行发生于任意后续对这volatile变量的读，也叫写后读。

happens-before先行发生原则的保证就是内存屏障，happens-before就像接口，定义了方法叫啥，而内存屏障则是具体的落地

3、分类

内存屏障，粗看有两种：

读屏障(Load Barrier)：

在读指令（类比代码中的get）之前插入读屏障，会让工作内存或CPU高速缓存当中的缓存数据失效，重新回到主内存中获取最新数据。

写屏障(Store Barrier)：

在写指令（类比代码中的set）之后插入写屏障，会强制把写缓冲区（线程的工作内存）的数据刷回到主内存中。

细分（Unsafe.class -> Unsafe.java -> Unsafe.cpp -> OrderAccess.hpp）有四种：

• 读读屏障
• 写写屏障
• 读写屏障
• 写读屏障

含义如下：

以第一个为例：

Load1;LoadLoad;Load2

示意图：

即在两次读load1和load2之间加了一个读读屏障，即必须先load1执行，再load2执行，不允许重排。

4、happens-before之volatile变量重排规则

重排序有可能影响程序的执行和实现，因此，我们有时候希望告诉JVM你别自作聪明给我重排序，我这里不需要排序，我的。前面提到了，volatile的有序性是靠内存屏障禁重排实现的。

• 对于编译器的重排序，JMM会根据重排序的规则，禁止特定类型的编译器重排序

• 对于处理器的重排序，Java编译器在生成指令序列的适当位置，插入内存屏障指令，来禁止特定类型的处理器排序

5、读写屏障插入策略

读屏障的插入策略：

• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障
• 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障

volatile 读操作就是读一个volatile变量

写屏障的插入策略：

• 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障
• 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障