内存屏障

Java内存模型与硬件内存架构的关系

多线程的指向最终都映射在硬件处理器上进行执行，但是Java内存模型与硬件内存架构并不完全一致，对于硬件内存来说之后寄存器、缓存内存、主内存概念之分，并没有工作内存、主内存之分，也就是说Java内存模型对内存的划分对硬件内存并没有任何影响，因为JMM只是一种抽象的概念，是一种规则，并不实际存在，这个规范存在的意义是定义了程序各个变量的访问方式，屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。不管是工作内存还是主内存的数据，对于计算机硬件来说都会存储在计算机主内存中，当然有可能存储袋CPU缓存或者寄存器中，因此Java内存模型和计算机硬件内存架构是一种相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉

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重排序

as-if-serial语义
不管怎么重排序，程序的执行结果不能被改变，编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果，但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器做重排序。

重排序种类

• 编译器优化的重排序；
• 指令级并行的重排序；
• 内存系统的重排序；

如何禁止重排序
对于编译器，JMM编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序；
对于处理器，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

内存屏障

为什么会有内存屏障？

• 每个CPU都会有自己的缓存(有的甚至有三级缓存)，缓存的目的就是为了提高性能，避免每次都要向内存取，但是这样的弊端也是很明显：不能实时和内存发生信息交换，分在不同CPU执行的不同线程对同一变量的缓存值不同。
• 用Volatile关键字修饰变量可以解决上述问题，Volatile通过内存屏障来实现，内存屏障是硬件层的概念，不同的硬件平台实现内存屏障的手段并不是一样的，java通过屏蔽这些差异，统一由jvm来生成内存屏障指令。

作用

1. 确保指令重排序时不会把屏障后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障后面。
2. 强制把写缓冲区/高速缓存中的数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效；

Load Barrier 读屏障
在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存加载数据；

Store Barrier 写屏障
利用缓存一致性机制强制将对缓存的修改操作立即写入主存，让其他线程可见，并且缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上CPU缓存的内存区域数据。

内存屏障类型

为了保证可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

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其中StoreLoad指令是现代多处理器都需要使用的，但是它的开销也很昂贵。

volatile插入屏障策略

• 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StoreLoad屏障；
• 在每个volatile读操作的后面插入LoadLoad屏障；
• 在每个volatile读操作的后面插入LoadStore屏障；

实现原理
Volatile变量 写汇编指令会多出#Lock前缀，Lock前缀在多核处理器下的作用：

• 将当前处理器缓存行的数据写会主存；
• 令其他CPU里缓存该内存地址的数据失效；(总线锁定？MESI缓存一致性协议)