Java之volatile如何保证可见性和指令重排序

1 我们先了解CPU缓存

CPU缓存为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的问题，因为CPU运算速度要比内存读写速度快得多

一次主内存的访问通常在几十到几百个时钟周期
一次L1高速缓存的读写只需要1~2个时钟周期
一次L2高速缓存的读写也只需要数十个时钟周期

CPU大多数情况下读写都不会直接访问内存，取而代之的是CPU缓存，CPU缓存是位于CPU与内存之间的临时存储器(简单理解为寄存器)，它容量比内存小得多但是交换速度却比内存快得多。而缓存中的数据是内存中的一小部分数据，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可先从缓存中读取，从而加快读取速度

CPU缓存可分为：一级缓存（是与CPU结合最为紧密的CPU缓存）、二级缓存、三级缓存，每一级缓存中所存储的数据全部都是下一级缓存中的一部分

当CPU要读取数据时，首先从一级缓存中查找，如果没有再从二级缓存中查找，如果还是没有再从三级缓存中或内存中查找。一般来说每级缓存的命中率大概都有80%左右，只剩下20%的总数据量才需要从二级缓存、三级缓存或内存中读取。

CPU执行计算的过程如下：

程序以及数据被加载到主内存
指令和数据被加载到CPU缓存
CPU执行指令，把结果写到高速缓存
高速缓存中的数据写回主内存

2 总线锁

每个CPU都有一级缓存，但是，我们却无法保证每个CPU的一级缓存数据都是一样的，如何保证各个CPU缓存中的数据是一致的。就是CPU的缓存一致性问题

1）总线锁

一种处理一致性问题的办法是使用Bus Locking（总线锁）。当一个CPU对其缓存中的数据进行操作的时候，往总线中发送一个Lock信号。这个时候，所有CPU收到这个信号之后就不操作自己缓存中的对应数据了，也就是把数据直接写入主内存，当操作结束，释放锁以后，所有的CPU就去内存中获取最新数据更新。

3 volatile如何保证可见性

我们把有volatile修饰的变量编译成部分汇编，这里有个lock指令

0x01a3de24: lock addl $0X0,(%esp);

如果是写操作，cpu会发出一个lock指令，CUP会把数据直接写到到主内存

如果是读操作，cpu会发出一个unlock指令, 所有的CPU就去内存中获取最新数据更新

4 volatile如何保证指令重排序

现代的操作系统都是多处理器.而每一个处理器都有自己的缓存,并且这些缓存并不是实时都与内存发生信息交换.这样就可能出现一个cpu上的缓存数据与另一个cpu上的缓存数据不一致的问题.而这样在多线程开发中,就有可能导致出现一些异常行为.
而操作系统底层为了这些问题,提供了一些内存屏障用以解决这样的问题.目前有4种屏障.

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障；
在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障；

由于内存屏障的作用，避免了volatile变量和其它指令重排序

参考链接：

https://crowhawk.github.io/2018/02/10/volatile/

https://www.jianshu.com/p/ef8de88b1343

https://my.oschina.net/LucasZhu/blog/1537330