volatile、内存屏障、内存乱序小结

C 语言中的volatile关键字作用？

易变性：volatile告诉编译器，某个变量是易变的，当编译器遇到这个变量的时候，只能从变量的内存地址中读取这个变量，不可以从缓存、寄存器、或者其它任何地方读取。
顺序性：两个包含volatile变量的指令，编译后不可以乱序。注意是编译后不乱序，但是在执行的过程中还是可能会乱序的，这点需要由其它机制来保证，例如memory- barriers。

Java中的volatile关键字作用？

Java的volatile关键字在语义上有所增强，主要体现在：

Java Volatile变量的操作，附带了Acquire与Release语义。所谓的Acquire与Release语义，可参考文章：Acquire and Release Semantics。(这一点，后续有必要的话，可以写一篇文章专门讨论)。Java Volatile所支持的Acquire、Release语义，如下：

对于Java Volatile变量的写操作，带有Release语义，所有Volatile变量写操作之前的针对其他任何变量的读写操作，都不会被编译器、CPU优化后，乱序到Volatile变量的写操作之后执行。
对于Java Volatile变量的读操作，带有Acquire语义，所有Volatile变量读操作之后的针对其他任何变量的读写操作，都不会被编译器、CPU优化后，乱序到volatile变量的读操作之前进行。
通过Java Volatile的Acquire、Release语义，对比C/C++ Volatile，可以看出，Java Volatile对于编译器、CPU的乱序优化，限制的更加严格了。Java Volatile变量与非Volatile变量的一些乱序操作，也同样被禁止。

什么是happens-before？

令A和B表示两组操作，如果A happens-before B，那么由A操作引起的内存变化，在B开始执行之前，都应该是可见的。
A happens-before B，不代表A在B之前执行！

int A = 0;
int B = 0;

void foo()
{
    A = B + 1;              // (1)
    B = 1;                  // (2)
}

上述的代码，满足A happens-before B，但是语句（2）可能在（1）之前执行。

所以如果有另外一个线程，尝试去读取B的值，然后再读A的值，那么可能就会有问题：

if (B == 1)
{
    assert(A == 2); // 错误！A可能还是0
}

如何确保happen-before？

锁（互斥锁、读写锁等）、内存屏障

指令乱序

指令乱序是指程序在执行代码的时候，并不按代码编写的实际顺序执行。这种情况可能发生在两个阶段，一个是编译阶段，一个是运行阶段。
关于编译阶段的乱序，参考资料中何登成的博客中给出了示例，这里就不赘述。C的volatile关键字，只能保证编译阶段不乱序，但是不能保证运行时不乱序。

什么是内存屏障（memory barriers）？

内存屏障是一个指令，这个指令可以保证屏障前后的指令遵守一定的顺序，并且保证一定的可见性，具体的，在典型的Inter X86架构上，有以下几种内存屏障指令：

sfence：保证此fence指令之前的所有写操作，先于（happens-before）屏障之后的所有写操作。
lfence：保证此fence指令之前的所有读操作，先于（happens-before）屏障之后的所有读操作。
mfence：相当于sfence + lfence。

关于常见的内存屏障，见：MemoryBarriers

另附自己使用内存屏障实现的一个无锁类似ring buffer的实现：https://github.com/JiangJiafu/SampleC/blob/master/src/shm_sample/shm_sample.c
ping-pong时间大概在几百ns这个级别，不同的机器会有不同的表现。

另外附上朋友写的一个Java版的实现：https://github.com/nottryhard/something/blob/master/src/RingBuffer.java

参考资料：

何登成的技术博客
the-happens-before-relation