Volatile——以DCL失效谈内存屏障用来禁止指令重排序的原理

小鱼儿 2022-01-31 23:31 354阅读 0赞

作者：HJsir  
来源：CSDN  
原文：https://blog.csdn.net/hjsir/article/details/80713783

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### 引言 ###

大家都知道volatile关键字具有两重语义即：

1.  **保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。**
2.  **禁止进行指令重排序。**

第一个好理解，也就是说每次修改都立即更新到主内存，那么禁止重排序这个在网上更多的解释是说使用了内存屏障，使得前后的指令无法进行重排序。（关于volatile详解）  
**那么问题来了，什么是内存屏障？ volatile是怎么实现的？ 这么实现为什么就能禁止重排了？带着三个问题我们往下看**。

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### 什么是内存屏障？ ###

内存屏障是硬件层提供的保障一致性的能力的一系列方法，注意一系列，所以内存屏障不止一种

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。**

前面三种不是本文重点，看看了解下就好，本文重点是第四种，因为在X86平台上volatile是用Lock前缀就是使用的第四种。

首先**内存屏障有两种作用**：

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

而**Lock前缀**是这样实现的

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**。

那么这个lock前缀在JIT汇编代码中是啥样的？怎么操作的？我们来举例看看

##  ##

## 从DCL失效来看lock的作用 ##

下面是一段标准的DCL单例代码

public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance = null;
        public  static Singleton getInstance() {
            if(null == instance) {    
                synchronized (Singleton.class) {
                    if(null == instance) {                    
                        instance = new Singleton();        
                    }
                }
            }     
      
            return instance;            
        }
    }

首先回顾一下DCL失效，在DCL中当执行 **Instance = new Singleton()**的时候看起来是一句代码执行，但是在虚拟机里面不是这样的，他大概在虚拟机里执行了三件事

1.  给Singleton的实例分配内存（此时还没有指向mInstance）
2.  调用构造函数，初始化成员
3.  将mInstance对象指向分配的内存空间

在jdk1.5之前java内存模型中cache和寄存器到主内存的回写顺序规定，还有java编译器允许乱序执行，所以执行顺序可能不一致有的是1-2-3有的是1-3-2，在多线程中很可能线程A做了1步和第3步还没来得及做第二步的时候，就被切换到B线程，**B线程发现第三步已经执行了，所以直接拿来用了，但是这个时候是错误的，因为第二步没有执行，成员未被初始化，这就是DCL失效**。

那么我们来看看在JIT汇编代码中mInstance = new Singleton()是怎样执行的：  
![70][]

生成汇编码是 **lock addl $0x0, (%rsp)**, 在写操作（putstatic instance）之前使用了lock前缀，锁住了总线和对应的地址，这样其他的CPU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。

结合DCL失效说就是，之所以DCL失效就是因为初始化成员还没执行就先执行了指向分配的内存，这样我们的实例已经不为null了，就导致后面的线程可能拿到没初始化的实例。而加了 volatile之后，volatile在最后加了lock前缀，把前面的步骤锁住了，这样**如果你前面的步骤没做完，是无法执行最后一步刷新到内存的**，换句话说**只要执行到最后一步lock，必定前面的操作都完成了**。那么即使我们完成前面两步或者三步了，还没执行最后一步lock，或者前面一步执行了就切换线程2了，**线程2在判断的时候也会判断实例为空**，进而由线程2完成后面的所有操作。当写完成后，释放锁，把缓存刷新到主内存。

> **综上所述**：lock的作用就是，保证前面的**Instance = new Singleton()**完全完成后，才通过lock将**Instance的值** 更新到内存。也由于lock其他线程中的**Instance的值**都失效了。所以这时其他线程读到的**Instance的值**都是初始化成功后的实例。

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### 注意 ###

这里我们就可以看到此内存屏障只保证lock前后的顺序不颠倒，但是并没有保证前面的所有顺序都是要顺序执行的，比如我有1 2 3 4 5 6 7步，而lock在4步，那么前面123是可以乱序的，只要123乱序执行的结果和顺序执行是一样的，后面的567也是一样可以乱序的，但是整体上我们是顺序的，把123看成一个整体，4是一个整体 567又是一个整体，所以整体上我们的顺序的执行的，也达到了看起来禁止重排的效果

所以其实内存屏障禁止重排就是：利用lock**把lock前面的“整体”锁住**，**当前面的完成了之后l**ock后面的“整体”才能完成，当写完成后，释放锁，把缓存刷新到主内存。

### 总结 ###

好好理解好上面的“整体”，我们不难发现**其实禁止重排也只是相对而言的**，虚拟机这样做，其实也是为了效率考虑，因为只锁一部分整体让其有序就能达到目的的话，就没必要让每一步都有序，因为这样太影响优化了，指令重排在优化性能上的作用是很大的。

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