什么是内存屏障？具有什么作用？

2024-06-07 15:20:27

什么是内存屏障？
小陈：老王，上一篇你引出了volatile底层是通过内存屏障来解决可见性和有序性问题的。首先我想问一下什么是内存屏障？
老王：内存屏障啊，本质上也是一种指令，只不过它具有屏障的作用而已。
小陈：额，这怎么说…
老王：首先内存屏障是一种指令，无论是在JAVA内存模型还是CPU层次，都是有具体的指令对应的，是一种特殊的指令。
小陈：嗯嗯，它是一种特殊的指令。还是不明白…
小陈：然后呢？
老王：然后这种指令*具有屏障的作用*，所谓屏障，也就是类似关卡，类似栅栏，具有隔离的作用。
小陈：那它是怎么实现隔离作用的，能否搞个例子讲一下。
老王：哈哈，这个举例没问题，我先跟你说说内存屏障的分类，后面再给你实例讲一下：
老王：按照内存屏障的分类，我理解有两类。
（1）一类是强制读取主内存，强制刷新主内存的内存屏障，叫做****Load屏障*和*Store屏障****
（2）另外一类是****禁止指令重排序*的内存屏障*，有四个分别叫做LoadLoad屏障、StoreStore屏障、LoadStore屏障、StoreLoad屏障
老王：下面再给你介绍一下这两类内存屏障各自的作用：
强制读取/刷新主内存的屏障
Load屏障：执行读取数据的时候，强制每次都从主内存读取最新的值。
Store屏障：每次执行修改数据的时候，强制刷新回主内存。
先给你画图讲解一下Load屏障：
如上图所示：在工作内存的变量名、变量的值之前有一道关卡或者栅栏，导致变量 i 获取不到工作内存中的值，所以每次只好主内存重新加载咯。
然后再给讲一下Store屏障：
如上图所示，每次执行assign指令将数据变更之后，后面都会紧紧跟着一个Store屏障，让你立刻刷新到主内存。
老王：小陈，我画这两图讲强制读取和刷新主内存的屏障（Load屏障和Store屏障)，你看懂了嘛？
小陈：也就是说，只要加了Load屏障，相当于加了一个栅栏，不管工作内存是否有数据，都是从主内存读取数据。只要加了Store屏障，具有强制作用，进行assign操作将变量更改了之后，立刻将变量刷新到主内存里面是吗？
老王：是的，就是这么一个道理，上面的图只是为了方便你理解画出来的，实现上并不一定完全跟图的一样，但是原理差不多。
小陈：嘿嘿，老王真棒…
禁止指令重排序的屏障
老王：好了，下面再给你讲讲另外一类的内存屏障，下面这类的内存屏障的作用是禁止指令重排序，JAVA内存模型层次关于禁止重排序有下面4种屏障：
LoadLoad屏障
序列：load1指令 LoadLoad屏障 load2指令
作用：在load1指令和load2指令之间加上 LoadLoad屏障，强制先执行load1指令再执行load2指令；load1指令和load2指令不能进行重排序（LoadLoad屏障 前面load指令禁止和屏障后面的load指令进行重排序）。
StoreStore屏障
序列：store1指令 StoreStore屏障 store2指令
作用：在store1指令和store2指令之间加上StoreStore屏障，强制先执行store1指令再执行store2指令；store1指令不能和store2指令进行重排序（StoreStore屏障 前面的store指令禁止和屏障后面的store指令进行重排序）
LoadStore屏障
序列：load1指令 LoadStore屏障 store2指令
作用：在load1指令和store2指令之前加上LoadStore屏障，*强制先执行load1指令再执行store2指令*；load1指令和store2执行不能重排序（LoadStore屏障 前面的load执行禁止和屏障后面的store指令进行重排序）
StoreLoad屏障
序列：store1指令 StoreLoad屏障 load2指令
作用：在store1指令和load2指令之间加上StoreLoad屏障，强制先执行store1指令再执行load2指令；
store1指令和load2指令执行不能重排序（StoreLoad屏障 **前面的Store指令禁止和屏障后面的*Store/Load*指令进行重排）
老王：小陈，我上面说的这几种内存屏障，你能理解吗？
小陈：感觉听着有点玄乎啊，实际上是怎么禁止重排序的啊…
老王：我下面给你画个图，以StoreStore屏障和StoreLoad屏障举个例子，你就知道大概是什么意思了：
（1）有三个区域分别是区域1、区域2、区域3
（2）区域1和区域2加了 StoreStore屏障，这样区域1和区域2的Store指令就被隔离开来，不能重排了
（3）区域2和区域3加了StoreLoad屏障，这样区域2和区域3的Store指令、Load指令就****被隔离开来****，不能重排了
（3）就相当于搞了个栅栏，禁止各个区域之间的指令跳来跳去的，否则就会导致乱序执行
小陈：哎呀，原来是搞了个栅栏啊，说白了就是相当于搞了个围墙，不让各个指令之间跳来跳去的，这样达到禁止区域之间重排序的效果。
小陈：牛啊，老王；看起来这么深奥的道理，竟被你搞个图这么简单的说清楚了，献上我的膝盖…
老王：嘿嘿，还好还好…

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