什么是 volatile 和指令重排？
1.volatile 的作用
在 Java 中，volatile 是一个关键字，用于修饰变量。它有以下两个主要作用：
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保证可见性：当一个线程修改了
volatile变量时，其他线程能够立即看到这个修改。 -
防止指令重排：保证
volatile变量的操作不会被线程内的指令重排优化。
指令重排
指令重排是指在程序执行时，编译器、运行时环境或 CPU 可能会调整指令的执行顺序，以提高性能。例如：
int a = 1; // 指令1
int b = 2; // 指令2在某些情况下，指令2可能会被提前执行，变成：
int b = 2; // 指令2
int a = 1; // 指令1这种调整通常是安全的，但在多线程环境下，可能会导致问题。
2. 内存屏障的作用及种类
为了防止指令重排，Java 在 volatile 变量操作前后插入了内存屏障（Memory Barrier）。内存屏障是一种特殊的指令，用于限制指令的执行顺序。
内存屏障的种类
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StoreStore（SS）屏障：屏障前的写操作必须全部完成，才能执行后续的写操作。
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StoreLoad（SL）屏障：屏障前的写操作必须全部完成，才能执行后续的读操作。
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LoadLoad（LL）屏障：屏障前的读操作必须全部完成，才能执行后续的读操作。
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LoadStore（LS）屏障：屏障前的读操作必须全部完成，才能执行后续的写操作。
这些屏障的作用是防止指令重排，确保程序的执行顺序符合预期。
3. volatile 的内存屏障实现
当一个变量被 volatile 修饰时，Java 会在其操作前后插入相应的内存屏障。具体来说：
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写操作：在写
volatile变量之前插入 StoreStore（SS）屏障，在写操作之后插入 StoreLoad（SL）屏障。 -
读操作：在读
volatile变量之前插入 LoadLoad（LL）屏障，在读操作之后插入 LoadStore（LS）屏障。
在 X86 架构中，CPU 内部已经实现了一些内存屏障的功能。例如：
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mfence指令：用于实现全内存屏障，防止指令重排。 -
lock指令：用于实现原子操作，并且隐含了内存屏障的效果。
因此，X86 架构主要针对 StoreLoad（SL）屏障 做了额外的支持，通过调用 mfence 或 lock 指令来实现。
3.1 mfence代码解释
inline void OrderAccess::fence() {
if (os::is_MP()) {
// always use locked addl since mfence is sometimes expensive
#ifndef AMD64
__asm__ volatile ("lock; addl $0,0(%%rsp)" ::: "cc", "memory");
#else
__asm__ volatile ("lock; addl $0,0(%%esp)" ::: "cc", "memory");
#endif
}
}以上代码为C++ 函数，名为 OrderAccess::fence，它的作用是确保内存操作的顺序性，防止指令重排
3.1.1 函数定义：
inline void OrderAccess::fence()：定义了一个内联函数 fence，属于 OrderAccess 类。这个函数没有参数，返回类型是 void。
3.1.2 多处理器检查：
if (os::is_MP())：检查当前系统是否是多处理器（Multi-Processor，MP）系统。os::is_MP() 是一个函数，用于检测系统是否支持多处理器。
3.1.3 条件编译：
#ifndef AMD64 和 #else：这部分代码使用了条件编译指令。AMD64 是一个宏如果，定义了 AMD64，则表示编译目标是 64 位系统；否则，表示是 32 位系统。
3.1.4 内存屏障实现：
__asm__ volatile：这是一个内联汇编指令，用于直接在 C++ 代码中插入汇编代码。volatile 关键字防止编译器对汇编代码进行优化。
"lock; addl $0,0(%%rsp)" 和 "lock; addl $0,0(%%esp)"：这是两条汇编指令。
lock：这是一个前缀，用于确保接下来的指令在多处理器系统中是原子操作，防止指令重排。
addl $0,0(%%rsp) 和 addl $0,0(%%esp)：这是两条加法指令，将寄存器 rsp 或 esp 的值加 0，实际上没有改变任何值，但这个操作被 lock 前缀修饰，因此具有内存屏障的效果。rsp 是 64 位寄存器，esp 是 32 位寄存器。
::: "cc", "memory"：这是内联汇编的约束和修饰符。
"cc"：表示影响条件码寄存器。
"memory"：表示影响内存。
3.2 lock指令
在X86架构中，LOCK前缀用于确保随后的指令以原子方式执行，这在多处理器或多线程环境中特别重要。LOCK前缀的工作原理包括总线锁定、内存屏障和处理器的缓存一致性机制。
3.2.1 总线锁定
当处理器执行带有LOCK前缀的指令时，它会对系统总线进行锁定。这意味着在执行该指令期间，其他处理器无法访问被锁定的内存地址。这种锁定机制确保了在执行原子操作时，其他处理器无法对同一内存位置进行读写操作，从而避免了数据竞争。
3.2.2 内存屏障
LOCK前缀还会在执行时插入内存屏障。这确保了在LOCK指令之前的所有读写操作在该指令执行之前完成，并且在该指令之后的所有读写操作在该指令完成之后才能执行。这有助于确保内存的可见性，避免因缓存一致性问题导致的错误。
3.2.3 缓存一致性协议
现代CPU通常使用更高效的方法来实现LOCK前缀的效果。如果数据不跨越缓存行，CPU核心可以内部锁定缓存行，从而避免阻塞所有其他核的读/写访问。这种机制利用了MESI缓存一致性协议。
示例代码
以下是一个使用LOCK前缀的示例代码，它展示了如何在C++中使用内联汇编来实现原子操作：
movl 4(%esp), %ecx ; 将要增加的变量地址从栈中加载到ECX寄存器
lock ; "lock"前缀，确保以下操作的原子性
incl (%ecx) ; 将ECX寄存器指向的内存变量加1
mov $0,%eax ; 将EAX寄存器设置为0
setne %al ; 如果加法结果不等于0，将AL寄存器（EAX的低字节）设置为1
ret ; 返回这段代码首先将要增加的变量地址从栈中加载到ECX寄存器，然后使用lock前缀和incl指令来原子性地增加该变量。随后的两条指令设置EAX寄存器（函数的返回值）为0，如果该变量的新值为0，则设置AL寄存器为1，即返回值为1。即：如果内存地址中的原始值为0，并且 incl 指令将其增加到1，那么 %al 将被设置为1。如果内存地址中的原始值不为0，那么 %al 将保持为0。
4. volatile 示例代码和图示
假设我们有一个场景：线程 A 写入一个 volatile 变量 flag，线程 B 读取这个变量。
public class VolatileExample {
private volatile boolean flag = false;
public void writer() {
// 写操作
flag = true; // volatile 写操作
}
public void reader() {
// 读操作
if (flag) {
System.out.println("Flag is true");
}
}
}
内存屏障插入
在 flag = true 操作前后，Java 会插入内存屏障：
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写操作：
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在写
flag之前插入 StoreStore（SS）屏障。 -
在写
flag之后插入 StoreLoad（SL）屏障。
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读操作：
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在读
flag之前插入 LoadLoad（LL）屏障。 -
在读
flag之后插入 LoadStore（LS）屏障。
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以下是 volatile 写操作和读操作的内存屏障插入示意图：
线程 A（写操作）：
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| flag = true | <- volatile 写操作
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| StoreStore | <- SS 屏障
|---------------|
| StoreLoad | <- SL 屏障
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线程 B（读操作）：
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| if (flag) | <- volatile 读操作
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|---------------|
| LoadLoad | <- LL 屏障
|---------------|
| LoadStore | <- LS 屏障
-----------------5. 通俗解释
想象一下，你正在写一封重要的信，然后把它放进一个特殊的信封（volatile 变量）。在你把信放进信封之前，你必须确保所有之前的准备工作（比如写信的内容）都已经完成（SS 屏障）。当你把信放进信封之后，你还需要确保这封信不会被提前寄出（SL 屏障）。
另一方面，当别人收到这封信并打开信封（读操作）时，他们必须确保在打开信封之前，所有的准备工作（比如确认信封是否完整）都已经完成（LL 屏障）。在读完信之后，他们还需要确保不会提前做后续的事情（比如回复信件）（LS 屏障）。
通过这种方式，volatile 确保了操作的顺序性，防止了指令重排的问题。