聊聊高并发（三十五）Java内存模型那些事（三）理解内存屏障

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-06-12 01:37 179阅读 0赞

原文 http://blog.csdn.net/iter\_zc/article/details/42006811

在[聊聊高并发（三十三）从一致性(Consistency)的角度理解Java内存模型][Consistency_Java] 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?][asm lock]

“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][Link 1]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

![Center][]

![Center 1][]

![Center 2][]

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。

![Center 3][]

![Center 4][]

![Center 5][]

参考资料:

[Memory Barriers/Fences][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?][asm lock]

[Consistency_Java]: http://blog.csdn.net/iter_zc/article/details/41943387
[Java]: http://lib.csdn.net/base/java
[asm lock]: http://bbs.pediy.com/archive/index.php?t-84326.html
[Link 1]: http://lib.csdn.net/base/softwaretest
[Center]: /images/20220612/1ae9d7de01914d38841aa0abe8183a74.png
[Center 1]: /images/20220612/b7549137a50347ceb2dcc3f3fdbd28e8.png
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[Center 3]: /images/20220612/0a5e859f3cb84656b1db6159d950f146.png
[Center 4]: /images/20220612/10d4aa4f60eb41218a84ec458bf526f8.png
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[Memory Barriers_Fences]: http://mechanical-sympathy.blogspot.com/2011/07/memory-barriersfences.html
[LOCK vs MFENCE]: https://software.intel.com/en-us/forums/topic/304284
[Memory barrier]: http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier