揭秘内存屏障

转载自http://wiki.jikexueyuan.com/project/disruptor-getting-started/storage-barrier.html

原文地址：http://ifeve.com/disruptor-memory-barriers/

最近我博客文章更新有点慢，因为我在忙着写一篇介绍内存屏障（Memory Barries）以及如何将其应用于 Disruptor 的文章。问题是，无论我翻阅了多少资料，向耐心的 Martin 和 Mike 请教了多少遍，以试图理清一些知识点，可我总是不能直观地抓到重点。大概是因为我不具备深厚的背景知识来帮助我透彻理解。

所以，与其像个傻瓜一样试图去解释一些自己都没完全弄懂的东西，还不如在抽象和大量简化的层次上，把我在该领域所掌握的知识分享给大家 。Martin 已经写了一篇文章《going into memory barriers》介绍内存屏障的一些具体细节，所以我就略过不说了。

免责声明：文章中如有错误全由本人负责，与 Disruptor 的实现和 LMAX 里真正懂这些知识的大牛们无关。

主题是什么？

我写这个系列的博客主要目的是解析 Disruptor 是如何工作的，并深入了解下为什么这样工作。理论上，我应该从可能准备使用 disruptor 的开发人员的角度来写，以便在代码和技术论文[Disruptor-1.0.pdf]之间搭建一座桥梁。这篇文章提及到了内存屏障，我想弄清楚它们到底是什么，以及它们是如何应用于实践中的。

什么是内存屏障？

它是一个 CPU 指令。没错，又一次，我们在讨论 CPU 级别的东西，以便获得我们想要的性能（Martin 著名的 Mechanical Sympathy理论）。基本上，它是这样一条指令：

a)确保一些特定操作执行的顺序； b)影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。

编译器和 CPU 可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序，使性能得到优化。插入一个内存屏障，相当于告诉 CPU 和编译器先于这个命令的必须先执行，后于这个命令的必须后执行。正如去拉斯维加斯旅途中各个站点的先后顺序在你心中都一清二楚。

内存屏障另一个作用是强制更新一次不同 CPU 的缓存。例如，一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存，这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值，而不用考虑到底是被哪个 cpu 核心或者哪颗 CPU 执行的。

和Java有什么关系？

现在我知道你在想什么——这不是汇编程序。它是 Java。

这里有个神奇咒语叫 volatile (我觉得这个词在 Java 规范中从未被解释清楚)。如果你的字段是 volatile，Java 内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令，在读操作前插入一个读屏障指令。

这意味着如果你对一个 volatile 字段进行写操作，你必须知道：

1、一旦你完成写入，任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。

2、在你写入前，会保证所有之前发生的事已经发生，并且任何更新过的数据值也是可见的，因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

举个例子呗！

很高兴你这样说了。又是时候让我来画几个甜甜圈了。

RingBuffe r的指针(cursor)（译注：指向队尾元素）属于一个神奇的 volatile 变量，同时也是我们能够不用锁操作就能实现 Disruptor 的原因之一。

生产者将会取得下一个 Entry（或者是一批）,并可对它（们）作任意改动， 把它（们）更新为任何想要的值。如你所知，在所有改动都完成后，生产者对 ring buffer 调用 commit 方法来更新序列号（译注:把 cursor 更新为该 Entry 的序列号）。对 volatile 字段(cursor)的写操作创建了一个内存屏障，这个屏障将刷新所有缓存里的值（或者至少相应地使得缓存失效）。

这时候，消费者们能获得最新的序列号码(8)，并且因为内存屏障保证了它之前执行的指令的顺序，消费者们可以确信生产者对 7 号 Entry 所作的改动已经可用。

…那么消费者那边会发生什么？

消费者中的序列号是 volatile 类型的，会被若干个外部对象读取——其他的下游消费者可能在跟踪这个消费者。ProducerBarrier/RingBuffer(取决于你看的是旧的还是新的代码)跟踪它以确保环没有出现重叠（wrap）的情况（译注：为了防止下游的消费者和上游的消费者对同一个 Entry 竞争消费，导致在环形队列中互相覆盖数据，下游消费者要对上游消费者的消费情况进行跟踪）。

所以，如果你的下游消费者(C2)看见前一个消费者(C1)在消费号码为 12 的 Entry，当 C2 的读取也到了 12，它在更新序列号前将可以获得 C1 对该 Entry 的所作的更新。

基本来说就是，C1 更新序列号前对 ring buffer 的所有操作（如上图黑色所示），必须先发生，待 C2 拿到 C1 更新过的序列号之后，C2 才可以为所欲为（如上图蓝色所示）。

对性能的影响

内存屏障作为另一个 CPU 级的指令，没有锁那样大的开销。内核并没有在多个线程间干涉和调度。但凡事都是有代价的。内存屏障的确是有开销的——编译器/cpu不能重排序指令，导致不可以尽可能地高效利用 CPU，另外刷新缓存亦会有开销。所以不要以为用 volatile 代替锁操作就一点事都没。

你会注意到 Disruptor 的实现对序列号的读写频率尽量降到最低。对 volatile 字段的每次读或写都是相对高成本的操作。但是，也应该认识到在批量的情况下可以获得很好的表现。如果你知道不应对序列号频繁读写，那么很合理的想到，先获得一整批 Entries ,并在更新序列号前处理它们。这个技巧对生产者和消费者都适用。以下的例子来自BatchConsumer:

    long nextSequence = sequence + 1;
    while (running)
    {
        try
        {
            final long availableSequence = consumerBarrier.waitFor(nextSequence);
            while (nextSequence <= availableSequence)
            {
                entry = consumerBarrier.getEntry(nextSequence);
                handler.onAvailable(entry);
                nextSequence++;
            }
            handler.onEndOfBatch();
            sequence = entry.getSequence();
        }
        …
        catch (final Exception ex)
        {
            exceptionHandler.handle(ex, entry);
            sequence = entry.getSequence();
            nextSequence = entry.getSequence() + 1;
        }
    }

（你会注意到，这是个旧式的代码和命名习惯，因为这是摘自我以前的博客文章，我认为如果直接转换为新式的代码和命名习惯会让人有点混乱）

在上面的代码中，我们在消费者处理 entries 的循环中用一个局部变量（nextSequence）来递增。这表明我们想尽可能地减少对 volatile 类型的序列号的进行读写。

总结

内存屏障是 CPU 指令，它允许你对数据什么时候对其他进程可见作出假设。在 Java 里，你使用 volatile 关键字来实现内存屏障。使用 volatile 意味着你不用被迫选择加锁，并且还能让你获得性能的提升。

但是，你需要对你的设计进行一些更细致的思考，特别是你对 volatile 字段的使用有多频繁，以及对它们的读写有多频繁。

PS：上文中讲到的 Disruptor中 使用的 New World Order 是一种完全不同于我目前为止所发表的博文中的命名习惯。我想下一篇文章会对旧式的和新式的命名习惯做一个对照。