并发编程概述：内存屏障、Java volatile

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并发编程三条特性：

  • 原子性
    原子性是指一个操作是不可中断的，要么全部执行成功要么全部执行失败。

  • 可见性
    可见性是指当一个线程修改了共享变量后，其他线程能够立即看见这个修改。

  • 有序性
    有序性是指程序指令按照预期的顺序执行而非乱序执行，乱序又分为编译器乱序和CPU执行乱序。

系统架构

首先展示一幅手绘图，概略描述单核和多核时的系统架构：

architecture

Register

寄存器。CPU指令执行，寄存器存放指令和数据，线程切换会进行寄存器保存和恢复操作。对线程而言，寄存器可以认为是私有的，即线程“工作内存”。多线程下，指令并发执行，操作各自工作内存，产生了原子性问题。

Cache

CPU缓存。CPU缓存提升了数据加载速度的同时，也带来了缓存一致性问题，该问题通过MESI协议来解决。但MESI协议下，一个CPU可能需要等待另一个CPU响应后才能继续执行，导致了阻塞，影响性能。所以增加了StoreBuffer和InvalidateQueue，也就是需要store时先放到StoreBuffer里，然后继续执行下一条指令，等到其他CPU响应返回后再处理对应store；收到invalidate通知时也不立即处理，而是先放到InvalidateQueue，并立即给予对方响应，然后等到合适时机再一起处理。这种优化提升了CPU执行能力，但也使得MESI协议的操作无法立即得到处理，出现异步，产生了可见性和有序性问题。

Memory

内存。

单核环境下，多线程并发存在原子性问题和编译器乱序问题，因为Cache使用同一份，不存在可见性和CPU乱序问题。

多核环境下，多线程并发存在原子性、可见性和有序性问题。

内存屏障

针对上述情况，编译屏障可以解决编译乱序问题，内存屏障可以解决可见性和CPU乱序问题。

编译屏障作用于编译期，阻止编译器因为优化等对代码进行重排序。

内存屏障作用于指令执行期，又分为读屏障和写屏障。

读屏障

针对InvalidateQueue，确保其被立即处理。

写屏障

针对StoreBuffer，确保收到invalidate ack后数据写入缓存。

在内存屏障实现上，一般在单核上，即为编译器屏障，在多核上，包括编译屏障和读写屏障。

Java volatile

Java volatile通过内存屏障，实现了可见性和有序性。

Java内存屏障

LoadLoad屏障：对于这样的指令序列load1; loadload; load2，load1一定在load2之前执行完，CPU不会对load1和load2进行重排序。

LoadStore屏障：对于这样的指令序列load1; loadstore; store1，load1一定在store1之前执行完，CPU不会对load1和store1进行重排序。

StoreStore屏障：对于这样的指令序列store1; storestore; store2，store1一定在store2之前执行完，store1的写入操作对其他CPU可见，CPU不会对store1和store2进行重排序。

StoreLoad屏障：对于这样的指令序列store1; storeload; load1，store1一定在load1之前执行完，store1的写入操作对其他CPU可见，CPU不会对store1和load1进行重排序。

顺序规则

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(volatile)Load      (volatile)Store
          |                   |
          |                   |
       LoadStore          StoreStore
          |                   |                       volatile Load
          |___________________|_____StoreLoad_________________________
             volatile Store                       |                   |
                                                  |                   |
                                               LoadLoad            LoadStore
                                                  |                   |
                                                  |                   |
                                        (volatile)Load      (volatile)Store

Store蕴含写语义，Load蕴含读语义，写与读期望构建一种 happens-before 关系，即一边写，一边读，读到了写的结果，就表示写对读可见了，且写与读之间有了先后关系。同时如果写之前的先后关系，读之后的有先后关系，那么它们之间也就有了先后关系，这就是 happens-before。

内存屏障确定了一种 happens-before 关系。

类似的写/读语义，还有Release/Acquire，Unlock/Lock。