volatile禁止内存重排序吗（volatile可见性和防止指令重排原理）

volatile禁止内存重排序吗（volatile可见性和防止指令重排原理）volatile关键字修饰的共享变量可以提供这种可见性规范，也叫做读写可见。那么底层实现是如何通过机制保证volatile变量读写可见的？可见性：在JAVA规范中是这样定义的：java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。通俗的将就是如果有一个共享变量N，当有两个线程T1、T2同时获取了N的值，T1修改N的值，而T2读取N的值。那么可见性规范要求T2读取到的必须是T1修改后的值，而不能在T2读取旧值后T1修改为新值。一、可见性1.什么是可见性

volatile的原理

大家都知道，volatile可以保证可见性，一个线程对共享变量值的修改，能够及时同步到主内存，被其他线程看到。

除此之外，volatile 还可以防止指令重排序，原理是什么呢？

一、可见性

1.什么是可见性

可见性：在JAVA规范中是这样定义的：java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。通俗的将就是如果有一个共享变量N，当有两个线程T1、T2同时获取了N的值，T1修改N的值，而T2读取N的值。那么可见性规范要求T2读取到的必须是T1修改后的值，而不能在T2读取旧值后T1修改为新值。

volatile关键字修饰的共享变量可以提供这种可见性规范，也叫做读写可见。那么底层实现是如何通过机制保证volatile变量读写可见的？

2.原理

首先编译之后Java代码会被编译成字节码.class文件，在运行时会被加载到JVM中，JVM会将.class转换为具体的CPU执行指令，CPU加载这些指令逐条执行。

以多核CPU为例（两核），我们知道CPU的速度比内存要快得多，为了弥补这个性能差异，CPU内核都会有自己的高速缓存区，当内核运行的线程执行一段代码时，首先将这段代码的指令集进行缓存行填充到高速缓存，如果非volatil变量当CPU执行修改了此变量之后，会将修改后的值回写到高速缓存，然后再刷新到内存中。如果在刷新会内存之前，由于是共享变量，那么CORE2中的线程执行的代码也用到了这个变量，这是变量的值依然是旧的。

volatile关键字就会解决这个问题的，如何解决呢，首先被volatile关键字修饰的共享变量在转换成汇编语言时，会加上一个以lock为前缀的指令，当CPU发现这个指令时，立即做两件事：

1.将当前内核高速缓存行的数据立刻回写到内存；

2.使在其他内核里缓存了该内存地址的数据无效。

第一步很好理解，第二步如何做到呢？

MESI协议：在早期的CPU中，是通过在总线加LOCK#锁的方式实现的，但这种方式开销太大，所以Intel开发了缓存一致性协议，也就是MESI协议，该解决缓存一致性的思路是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，那么他会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行设置为无效状态。当其他CPU使用这个变量时，首先会去嗅探是否有对该变量更改的信号，当发现这个变量的缓存行已经无效时，会从新从内存中读取这个变量。

3.优缺点

volatile的好处：从底层实现原理我们可以发现，volatile是一种非锁机制，这种机制可以避免锁机制引起的线程上下文切换和调度问题。因此，volatile的执行成本比synchronized更低。

volatile的不足：使用volatile关键字，可以保证可见性，但是却不能保证原子操作。

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二、指令重排

1. 字节码层面

添加 ACC_VOLATILE

2. JVM层面

volatile内存区的读写 都加屏障

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

3. 硬件层面

硬件内存屏障 X86

sfence: store| 在sfence指令前的写操作当必须在sfence指令后的写操作前完成。

lfence：load | 在lfence指令前的读操作当必须在lfence指令后的读操作前完成。

mfence：modify/mix | 在mfence指令前的读写操作当必须在mfence指令后的读写操作前完成。

原子指令，如x86上的”lock …” 指令是一个Full Barrier，执行时会锁住内存子系统来确保执行顺序，甚至跨多个CPU。

Software Locks通常使用了内存屏障或原子指令来实现变量可见性和保持程序顺序。

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