【笔记】Java与内存屏障

http://m.blog.csdn.net/blog/ITer_ZC/42006811

http://www.infoq.com/cn/articles/memory_barriers_jvm_concurrency/

什么是内存屏障

          它是为了防止编译器和硬件的不正确优化，使得对存储器的访问顺序（其实就是变量）和书写程序时的访问顺序不一致而提出的一种解决办法。

内存屏障的使用场景：

1. 编译器优化引起的内存屏障
2. 多CPU时各自的cache缓存引起的内存屏障
3. 乱序执行引起的内存屏障

硬件层提供了一系列的内存屏障 memory barrier / memory fence(Intel的提法)来提供一致性的能力。拿X86平台来说，有几种主要的内存屏障

1. lfence，是一种Load Barrier 读屏障

2. sfence, 是一种Store Barrier 写屏障

3. mfence, 是一种全能型的屏障，具备ifence和sfence的能力

4. Lock前缀，Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似内存屏障的功能。Lock会对CPU总线和高速缓存加锁，可以理解为CPU指令级的一种锁。它后面可以跟ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

内存屏障有两个能力：

1. 阻止屏障两边的指令重排序

2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效

对Load Barrier来说，在读指令前插入读屏障，可以让高速缓存中的数据失效，重新从主内存加载数据

对Store Barrier来说，在写指令之后插入写屏障，能让写入缓存的最新数据写回到主内存

Lock前缀实现了类似的能力，

1. 它先对总线/缓存加锁，然后执行后面的指令，最后释放锁后会把高速缓存中的脏数据全部刷新回主内存。

2. 在Lock锁住总线的时候，其他CPU的读写请求都会被阻塞，直到锁释放。Lock后的写操作会让其他CPU相关的cache line失效，从而从新从内存加载最新的数据。这个是通过缓存一致性协议做的。

内存屏障的概念很好理解，不同硬件实现内存屏障的方式不同，Java内存模型屏蔽了这种底层硬件平台的差异，由JVM来为不同的平台生成相应的机器码。

LoadLoad 屏障

序列：Load1,Loadload,Load2

确保Load1所要读入的数据能够在被Load2和后续的load指令访问前读入。通常能执行预加载指令或/和支持乱序处理的处理器中需要显式声明Loadload屏障，因为在这些处理器中正在等待的加载指令能够绕过正在等待存储的指令。 而对于总是能保证处理顺序的处理器上，设置该屏障相当于无操作。

StoreStore  屏障

序列：Store1，StoreStore，Store2

确保Store1的数据在Store2以及后续Store指令操作相关数据之前对其它处理器可见（例如向主存刷新数据）。通常情况下，如果处理器不能保证从写缓冲或/和缓存向其它处理器和主存中按顺序刷新数据，那么它需要使用StoreStore屏障。

LoadStore 屏障

序列： Load1; LoadStore; Store2

确保Load1的数据在Store2和后续Store指令被刷新之前读取。在等待Store指令可以越过loads指令的乱序处理器上需要使用LoadStore屏障。

StoreLoad Barriers

序列: Store1; StoreLoad; Load2

确保Store1的数据在被Load2和后续的Load指令读取之前对其他处理器可见。StoreLoad屏障可以防止一个后续的load指令 不正确的使用了Store1的数据，而不是另一个处理器在相同内存位置写入一个新数据。正因为如此，所以在下面所讨论的处理器为了在屏障前读取同样内存位置存过的数据，必须使用一个StoreLoad屏障将存储指令和后续的加载指令分开。Storeload屏障在几乎所有的现代多处理器中都需要使用，但通常它的开销也是最昂贵的。它们昂贵的部分原因是它们必须关闭通常的略过缓存直接从写缓冲区读取数据的机制。这可能通过让一个缓冲区进行充分刷新（flush）,以及其他延迟的方式来实现。

在下面讨论的所有处理器中，执行StoreLoad的指令也会同时获得其他三种屏障的效果。所以StoreLoad可以作为最通用的（但通常也是最耗性能）的一种Fence。(这是经验得出的结论，并不是必然)。反之不成立，为了达到StoreLoad的效果而组合使用其他屏障并不常见。

下表显示这些屏障如何符合JSR-133排序规则。

需要的屏障第二步第一步Normal LoadNormal StoreVolatile Load
MonitorEnterVolatile Store
MonitorExitNormal Load   LoadStoreNormal Store   StoreStoreVolatile Load
MonitorEnterLoadLoadLoadStoreLoadLoadLoadStoreVolatile Store
MonitorExit  StoreLoadStoreStore