happens-before原则与内存屏障

1. happens-before原则定义

• 编译器和处理器会对我们程序优化而进行指令重排，但需要保证前一个操作结果对后一个依赖操作可见（其实只是在单线程下能保证），否则就禁止指令重排

1.1 指令重排带来的问题

• 虽然指令重排满足happens-before原则，但这个只能保证单线程下结果具有一致性。
• 在多线程下，指令重排会导致很严重的并发错误，会导致结果不具有一致性
• 多线程下想要结果也满足一致性，则需要加入内存屏障来解决指令重排的问题

2. 内存屏障

2.1 分类

• Load Barrier：在读指令之前插入读屏障，可以让高速缓存中的数据失效，重新从主存加载数据
• Store Barrier：在写指令之后插入写屏障，能让写入缓存的最新数据写回主内存

2.2 详细种类

• LoadLoad 屏障 
  • Load1,Loadload,Load2 
  • 确保Load1所要读入的数据能够在被Load2和后续的load指令访问前读入。
• StoreStore 屏障
  • ​​​​​​​Store1，StoreStore，Store2 
  • 确保Store1的数据在Store2以及后续Store指令操作相关数据之前对其它处理器可见（例如向主存刷新数据）
• LoadStore 屏障 ​​​​​​​
  • Load1; LoadStore; Store2 
  • 确保Load1的数据在Store2和后续Store指令被刷新之前读取。
• StoreLoad 屏障 ​​​​​​​
  • Store1; StoreLoad; Load2 
  • 确保Store1的数据在被Load2和后续的Load指令读取之前对其他处理器可见。

3. volatile关键字

3.1 volatile原理

通过内存屏障来防止指令重排，从而实现可见性和有序性

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

3.2 简要说明

• volatile读前插入读屏障，写后插入写屏障，避免CPU重排导致的问题，实现了多线程之间的数据可见性

4. 内存屏障和缓存一致性

内存屏障会导致CPU缓存刷新，刷新时，会遵循缓存一致性协议

• lock:解锁时，jvm会强制刷新CPU缓存，导致当前线程更改，对其他线程可见
• volatile：在标记volatile的字段进行写操作时，会强制刷新CPU缓存，在标记为volatile的字段，每次读取都是直接读内存
• final：即使编译器在final写操作后，会插入内存屏障，来禁止重排序，保证可见性