内存屏障

为什么需要内存屏障?

由于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

内存屏障的作用

  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(意思就是确保读到的数据都是内存中的最新的数据,确保数据的有效性)

内存屏障的分类

硬件层提供了一系列的内存屏障 memory barrier / memory fence(Intel的提法)来提供一致性的能力。拿X86平台来说,有几种主要的内存屏障

  1. lfence,是一种Load Barrier 读屏障。在读指令前插入读屏障,可以让高速缓存中的数据失效,重新从主内存加载数据

  2. sfence, 是一种Store Barrier 写屏障。在写指令之后插入写屏障,能让写入缓存的最新数据写回到主内存

  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。它后面可以跟ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG等指令。

Lock前缀实现了类似的能力,

  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 line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。

 

内存屏障使用例子

  1. LoadLoad屏障(读读屏障):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。
  2. StoreStore屏障(写写屏障):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。
  3. LoadStore屏障(读写屏障):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。
  4. StoreLoad屏障(写读屏障):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。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中,这个屏障是个万能屏障,兼具其它三种内存屏障的功能。

java中内存屏障的常见例子

  1. 通过 Synchronized关键字包住的代码区域,当线程进入到该区域读取变量信息时,保证读到的是最新的值.这是因为在同步区内对变量的写入操作,在离开同步区时就将当前线程内的数据刷新到内存中,而对数据的读取也不能从缓存读取,只能从内存中读取,保证了数据的读有效性.这就是插入了StoreStore屏障
  2. 使用了volatile修饰变量,则对变量的写操作,会插入StoreLoad屏障.
  3. 其余的操作,则需要通过Unsafe这个类来执行.

 

posted on 2018-04-12 15:09  小兔子的乌龟  阅读(1261)  评论(0编辑  收藏  举报