volatile如何避免指令重排序？原来使用了内存屏障

在多线程的世界里，一共有三个问题：原子性问题、可见性问题、有序性问题。整个java并发体系也是围绕着如何解决这三个问题来设计的。volatile关键字也不例外，我们都知道它解决了可见性和有序性，但是不能保证原子性。这篇文章也主要基于其中一个特性，也就是研究一下volatile是如何保证有序性的。

一、有序性

1、有序性案例

有序性指的是：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。我们可以先看一个被列举了一万次的代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

按照我们自己常规的想法，顺序应该从上往下依次执行，但是真实情况是：jvm会在真正执行这段代码的时候进行优化，发生指令的重排序。因此不能保证语句1一定在语句2先执行。

2、数据依赖性

上面的例子，你还会发现这样一个特点，就算是发生了指令的重排序，但是最后的结果总是正确的。我们再举一个例子：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;     //语句2
a = a + 3;     //语句3
r = a*a;       //语句4

这种情况会发生指令重排序吗？显然不会，原因是处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令2必须用到指令1的结果，那么处理器一定保证指令1在指令2执行。

3、多线程问题

这种数据的依赖性在单线程环境下一点问题没有，因为总能保证数据的正确，但是在多线程环境下就会出现错误。我们再举一个例子：

class Test {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void do1() {
        a = 1;                  // 1
        flag = true;            // 2
    }
    public void do2() {
        if (flag) {             // 3
            int i = a * a;      // 4
        }
    }
}

上面的这段代码由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此会发生指令重排。do2只要看到flag为true，就执行。因此可能的顺序是：

（1）语句1先于语句2：语句2->语句3->语句1->语句4。这时候的结果i=1。

（1）语句2先于语句1：语句2->语句3->语句4->语句1。这时候的结果i=0。

现在我们可以看到在多线程环境下如果发生了指令的重排序，会对结果造成影响。

上面一开始提到过，volatile可以保证有序性，也就是可以防止指令重排序。那么它是如何解决的呢？这就是内存屏障。因此我们从内存屏障讲起。

二、内存屏障

1、什么是内存屏障

内存屏障其实就是一个CPU指令，在硬件层面上来说可以扥为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。主要有两个作用：

（1）阻止屏障两侧的指令重排序；

（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。

在JVM层面上来说作用与上面的一样，但是种类可以分为四种：

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1; LoadLoad; Load2	保证load1的读操作先于load2执行
StoreStore	Store1; StoreStore; Store2	保证store1的写操作先于store2执行，并刷新到主内存
LoadStore	Load1; LoadStore; Store2	保证load1的读操作结束先于load2的写操作执行
StoreLoad	Store1; StoreLoad; Load2	保证store1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作才能执行

2、volatile如何保证有序性？

首先一个变量被volatile关键字修饰之后有两个作用：

（1）对于写操作：对变量更改完之后，要立刻写回到主存中。

（2）对于读操作：对变量读取的时候，要从主存中读，而不是缓存。

OK，现在针对上面JVM的四种内存屏障，应用到volatile身上。因此volatile也带有了这种效果。其实上面提到的这些内存屏障应用的效果，可以是用happen-before来总结归纳。

3、内存屏障分类

内存屏障有三种类型和一种伪类型：

（1）lfence：即读屏障(Load Barrier)，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，以保证读取的是最新的数据。

（2）sfence：即写屏障(Store Barrier)，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，以保证写入的数据立刻对其他线程可见。

（3）mfence，即全能屏障，具备ifence和sfence的能力。

（4）Lock前缀：Lock不是一种内存屏障，但是它能完成类似全能型内存屏障的功能。

为什么说Lock是一种伪类型的内存屏障，是因为内存屏障具有happen-before的效果，而Lock在一定程度上保证了先后执行的顺序，因此也叫做伪类型。比如，IO操作的指令，当指令不执行时，就具有了mfence的功能。

OK，一句话说完就是内存屏障保证了volatile的有序性。当然，我在知乎等很多平台也看到了从计算机底层角度来分析的。还特地去看了看相关文献。发现这里面要是详细写，不是一两篇就能完成的。

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内存屏障

volatile指令重排

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