必须了解的内存屏障

一，内存屏障

1，概念

内存屏障是硬件之上、操作系统或JVM之下，对并发作出的最后一层支持。再向下是是硬件提供的支持；向上是操作系统或JVM对内存屏障作出的各种封装。内存屏障是一种标准，各厂商可能采用不同的实现

2，内存屏障的效果

即使指令的执行没有重排序，是按顺序执行的，但由于缓存的存在，仍然会出现数据的非一致性的情况。我们把这种普通读``普通写可以理解为是有延迟的延迟读、延迟写，因此即使读在前、写在后，因为有延迟，然后仍然会出现写在前、读在后的情况。
为了解决上述重排带来的问题，提出了as-if-serial原则，即不管怎么重排序，程序执行的结果在单线程里保持不变。为了遵守as-if-serial原则，我们需要一种特殊的指令来阻止特定的重排，使其保持结果一致，这种指令就是内存屏障。

内存屏障有两个效果：

• 阻止指令重排序：在插入内存屏障指令后，不管前面与后面任何指令，都不能与内存屏障指令进行重排，保证前后的指令按顺序执行，即保证了顺序性。
• 全局可见：插入的内存屏障，保证了其对内存操作的读写结果会立即写入内存，并对其他CPU核可见，即保证了可见性，解决了普通读写的延迟问题。例如，插入读屏障后，能够删除缓存，后续的读能够立刻读到内存中最新数据（至少当时看起来是最新)。插入写屏障后，能够立刻将缓存中的数据刷新入内存中，使其对其他CPU核可见。

3，cpu中的内存屏障

lfence:读屏障（load fence)，即立刻让CPU Cache失效，从内存中读取数据，并装载入Cache中。
sfence: 写屏障（write fence）, 即立刻进行flush，把缓存中的数据刷入内存中。
mfence: 全屏障 (memory fence)，即读写屏障，保证读写都串行化，确保数据都写入内存并清除缓存。

二，JVM中提供的四类内存屏障指令

loadload：
读读，该屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序
storestore：
写写，该屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存中
loadstore：
读写，该屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序
storeload：
写读，该屏障的作用是避免volatile与后面可能有的volatile读/写操作重排序

三，volatile 特性

1，保证内存可见性定义

（1）定义：
可见性的定义常见于各种并发场景中，以多线程为例：当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。
从性能角度考虑，没有必要在修改后就立即同步修改的值——如果多次修改后才使用，那么只需要最后一次同步即可，在这之前的同步都是性能浪费。因此，实际的可见性定义要弱一些，只需要保证：当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程在使用前，能够得到最新的修改值。
（2）如何保证可见性
Java内存模型中定义的8种工作内存与主内存之间的原子操作

• read: 作用于主内存，将变量的值从主内存传输到工作内存，主内存到工作内存
• load: 作用于工作内存，将read从主内存传输的变量值放入工作内存变量副本中，即数据加载
• use: 作用于工作内存，将工作内存变量副本的值传递给执行引擎，每当JVM遇到需要该变量的字节码指令时会执行该操作
• assign: 作用于工作内存，将从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量，每当JVM遇到一个给变量赋值字节码指令时会执行该操作
• store: 作用于工作内存，将赋值完毕的工作变量的值写回给主内存
• write: 作用于主内存，将store传输过来的变量值赋值给主内存中的变量
  由于上述只能保证单条指令的原子性，针对多条指令的组合性原子保证，没有大面积加锁，所以，JVM提供了另外两个原子指令：
• lock: 作用于主内存，将一个变量标记为一个线程独占的状态，只是写时候加锁，就只是锁了写变量的过程。
• unlock: 作用于主内存，把一个处于锁定状态的变量释放，然后才能被其他线程占用

2，禁止指令重排序

（1）定义
重排序并没有严格的定义。整体上可以分为两种：
真·重排序：编译器、底层硬件（CPU等）出于“优化”的目的，按照某种规则将指令重新排序（尽管有时候看起来像乱序）。
伪·重排序：由于缓存同步顺序等问题，看起来指令被重排序了。
（2）问题来源
重排序问题无时无刻不在发生，源自三种场景：

• 编译器编译时的优化
• 处理器执行时的乱序优化
• 缓存同步顺序（导致可见性问题）
  场景1、2属于真·重排序；场景3属于伪·重排序。场景3也属于可见性问题

（3）怎么禁止指令重排序

volatile有关禁止指令重排的行为
当第一个操作是 volatile 读时，不论第二个操作是什么，都不能重排序；这个操作保证了volatile读之后的操作不会被重排到volatile读之前
当第二个操作为 volatile 写时，不论第一个操作是什么，都不能重排序；这个操作保证了volatile写之前的操作不会被重排到volatile写之后
当第一个操作为 volatile 写时，第二个操作为 volatile 读时，不能重排序

3，不保证原子性

volatile变量的复合操作（如i++）是不具有原子性的，原因是 i++ 操作从字节码角度来看，是分为三步的

多线程环境下，数据计算和数据赋值操作可能多次出现，即操作非原子。若数据再加载之后，若主内存中 count变量发生修改之后，由于线程工作内存中的值在此之前已经加载，从而不会对变更操作做出相应变化，即私有内存和公共内存中变量不同步，进而导致数据不一致
对于volatile变量，JVM只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的，也就是数据加载时是最新的。