聊聊高并发（三十五）Java内存模型那些事（三）理解内存屏障

在聊聊高并发（三十三）从一致性(Consistency)的角度理解Java内存模型 我们说了硬件层提供了满足某些一致性需求的能力，Java内存模型利用了硬件层提供的能力指定了一系列的语法和规则，让Java开发者可以隔绝这种底层的实现专注于并发逻辑的开发。这篇我们来看看硬件层是如何提供这些实现一致性需求的能力的。

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。

再引用一下这篇文章中关于Lock前缀的更多的一些描述 多处理器多线程使用_asm lock指令能保证互斥吗?

“从 P6 处理器开始，如果指令访问的内存区域已经存在于处理器的内部缓存中，则“lock” 前缀并不将引线 LOCK 的电位拉低，而是锁住本处理器的内部缓存，然后依靠缓存一致性协议保证操作的原子性。

IA32 CPU调用有lock前缀的指令，或者如xchg这样的指令，会导致其它的CPU也触发一定的动作来同步自己的Cache。
CPU的#lock引脚链接到北桥芯片(North Bridge)的#lock引脚，当带lock前缀的执行执行时，北桥芯片会拉起#lock
电平，从而锁住总线，直到该指令执行完毕再放开。 而总线加锁会自动invalidate所有CPU对 _该指令涉及的内存_
的Cache，因此barrier就能保证所有CPU的Cache一致性。

 lock前缀(或cpuid、xchg等指令)使得本CPU的Cache写入了内存，该写入动作也会引起别的CPU invalidate其Cache。
IA32在每个CPU内部实现了Snoopying(BUS-Watching)技术，监视着总线上是否发生了写内存操作(由某个CPU或DMA控
制器发出的)，只要发生了，就invalidate相关的Cache line。 因此，只要lock前缀导致本CPU写内存，就必将导致
所有CPU去invalidate其相关的Cache line。 ”

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。

看一下volatile的实现

有些材料里说Java实现volatile的时候使用了类似mfence等内存屏障，但是我经过测试发现在X86平台上volatile是用Lock前缀来实现的，测试的是JDK6和7。

下面来看一下volatile生成的汇编码

写volatile的时候生成汇编码是 lock addl $0x0, (%rsp), 在写操作之前使用了lock前缀，锁住了总线和对应的地址，这样其他的写和读都要等待锁的释放。当写完成后，释放锁，把缓存刷新到主内存。

1. 读volatile就很好理解了，不需要额外的汇编指令，CPU发现对应地址的缓存被锁了，等待锁的释放，缓存一致性协议会保证它读到最新的值。

2. 只需要对写volatile的使用用lock对总线加锁就行了，这样其他的读、写操作等待总线释放才能继续读。Lock会让其他CPU的缓存invalide，从内存重新加载数据。

再看一下synchronized的实现。synchronized块生成JVM指令是monitorenter, monitorexit，最后生成的汇编指令是

lock cmpxchg %r15, 0x16(%r10)  和 lock cmpxchg %r10, (%r11)

cmpxchg是CAS的汇编指令，这里的含义是先用lock指令对总线和缓存上锁，然后用cmpxchg CAS操作设置对象头中的synchronized标志位。CAS完成后释放锁，把缓存刷新到主内存。

所以synchronized的底层操作含义是先对对象头的锁标志位用lock cmpxchg的方式设置成“锁住“状态，释放锁时，在用lock cmpxchg的方式修改对象头的锁标志位为”释放“状态，写操作都立刻写回主内存。JVM会进一步对synchronized时CAS失败的那些线程进行阻塞操作，这部分的逻辑没有体现在lock cmpxchg指令上，我猜想是通过某种信号量来实现的。lock cmpxchg指令前者保证了可见性和防止重排序，后者保证了操作的原子性。

参考资料:

Memory Barriers/Fences

LOCK vs MFENCE

Memory barrier

多处理器多线程使用_asm lock指令能保证互斥吗?