硬件層提供了一系列的內存屏障 memory barrier / memory fence(Intel的提法)來提供一致性的能力。拿X86平臺來說，有幾種主要的內存屏障

1. lfence，是一種Load Barrier 讀屏障

2. sfence, 是一種Store Barrier 寫屏障

3. mfence, 是一種全能型的屏障，具備ifence和sfence的能力

4. Lock前綴，Lock不是一種內存屏障，但是它能完成類似內存屏障的功能。Lock會對CPU總線和高速緩存加鎖，可以理解為CPU指令級的一種鎖。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。

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內存屏障有兩個能力：

1. 阻止屏障兩邊的指令重排序

2. 強制把寫緩沖區/高速緩存中的臟數據等寫回主內存，讓緩存中相應的數據失效

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對Load Barrier來說，在讀指令前插入讀屏障，可以讓高速緩存中的數據失效，重新從主內存加載數據

對Store Barrier來說，在寫指令之后插入寫屏障，能讓寫入緩存的最新數據寫回到主內存

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Lock前綴實現了類似的能力，

1. 它先對總線/緩存加鎖，然后執行后面的指令，最后釋放鎖后會把高速緩存中的臟數據全部刷新回主內存。

2. 在Lock鎖住總線的時候，其他CPU的讀寫請求都會被阻塞，直到鎖釋放。Lock后的寫操作會讓其他CPU相關的cache line失效，從而從新從內存加載最新的數據。這個是通過緩存一致性協議做的。

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再引用一下這篇文章中關于Lock前綴的更多的一些描述?多處理器多線程使用_asm lock指令能保證互斥嗎?

“從 P6 處理器開始，如果指令訪問的內存區域已經存在于處理器的內部緩存中，則“lock” 前綴并不將引線 LOCK 的電位拉低，而是鎖住本處理器的內部緩存，然后依靠緩存一致性協議保證操作的原子性。

IA32 CPU調用有lock前綴的指令，或者如xchg這樣的指令，會導致其它的CPU也觸發一定的動作來同步自己的Cache。
CPU的#lock引腳鏈接到北橋芯片(North Bridge)的#lock引腳，當帶lock前綴的執行執行時，北橋芯片會拉起#lock
電平，從而鎖住總線，直到該指令執行完畢再放開。 而總線加鎖會自動invalidate所有CPU對 _該指令涉及的內存_
的Cache，因此barrier就能保證所有CPU的Cache一致性。

?lock前綴(或cpuid、xchg等指令)使得本CPU的Cache寫入了內存，該寫入動作也會引起別的CPU invalidate其Cache。
IA32在每個CPU內部實現了Snoopying(BUS-Watching)技術，監視著總線上是否發生了寫內存操作(由某個CPU或DMA控
制器發出的)，只要發生了，就invalidate相關的Cache line。 因此，只要lock前綴導致本CPU寫內存，就必將導致
所有CPU去invalidate其相關的Cache line。 ”

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內存屏障的概念很好理解，不同硬件實現內存屏障的方式不同，Java內存模型屏蔽了這種底層硬件平臺的差異，由JVM來為不同的平臺生成相應的機器碼。

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看一下volatile的實現

有些材料里說Java實現volatile的時候使用了類似mfence等內存屏障，但是我經過測試發現在X86平臺上volatile是用Lock前綴來實現的，測試的是JDK6和7。

下面來看一下volatile生成的匯編碼

寫volatile的時候生成匯編碼是?lock addl $0x0, (%rsp), 在寫操作之前使用了lock前綴，鎖住了總線和對應的地址，這樣其他的寫和讀都要等待鎖的釋放。當寫完成后，釋放鎖，把緩存刷新到主內存。

1. 讀volatile就很好理解了，不需要額外的匯編指令，CPU發現對應地址的緩存被鎖了，等待鎖的釋放，緩存一致性協議會保證它讀到最新的值。?

2. 只需要對寫volatile的使用用lock對總線加鎖就行了，這樣其他的讀、寫操作等待總線釋放才能繼續讀。Lock會讓其他CPU的緩存invalide，從內存重新加載數據。

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再看一下synchronized的實現。synchronized塊生成JVM指令是monitorenter, monitorexit，最后生成的匯編指令是

lock cmpxchg %r15, 0x16(%r10)? 和 lock cmpxchg %r10, (%r11)

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cmpxchg是CAS的匯編指令，這里的含義是先用lock指令對總線和緩存上鎖，然后用cmpxchg CAS操作設置對象頭中的synchronized標志位。CAS完成后釋放鎖，把緩存刷新到主內存。

所以synchronized的底層操作含義是先對對象頭的鎖標志位用lock cmpxchg的方式設置成“鎖住“狀態，釋放鎖時，在用lock cmpxchg的方式修改對象頭的鎖標志位為”釋放“狀態，寫操作都立刻寫回主內存。JVM會進一步對synchronized時CAS失敗的那些線程進行阻塞操作，這部分的邏輯沒有體現在lock cmpxchg指令上，我猜想是通過某種信號量來實現的。lock cmpxchg指令前者保證了可見性和防止重排序，后者保證了操作的原子性。

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參考資料:

Memory Barriers/Fences

LOCK vs MFENCE

Memory barrier

多處理器多線程使用_asm lock指令能保證互斥嗎?

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的聊聊高并发（三十五）Java内存模型那些事（三）理解内存屏障的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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