Java内存模型 - volatile 和 x86

Question

我正试图理解Java volatile的本质及其语义，以及它对底层架构和指令的转换。如果我们考虑以下博客和资源:

- 为volatile生成栅栏 - 读写volatile所生成的内容 - 关于栅栏的stackoverflow问题 这是我收集到的信息:

- volatile读会在之后插入loadStore/LoadLoad屏障（x86上的LFENCE指令） - 它防止加载与后续写入/加载的重新排序 - 它应该保证加载由其他线程修改的全局状态，即在LFENCE之后，其他线程所做的状态修改对当前线程在其CPU上可见。

我难以理解的是：Java在x86上不会发出LFENCE指令，即读取volatile不会导致LFENCE。我知道x86的内存排序可以防止加载与加载/存储的重新排序，因此第二个要点已经得到了处理。但是，我认为为了使状态对此线程可见，应该发出LFENCE指令，以确保在栅栏之后执行的下一条指令之前，所有LOAD缓冲区都已被清空（根据英特尔手册）。我知道x86上有高速缓存一致性协议，但是volatile读取仍应清空缓冲区中的任何LOAD，请问这是为什么？

- Bober02

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似乎你忘记了Java是跨平台的。 - Jacob G.

无论是否独立于平台，Java 实现并非完全独立于平台，因此我们仍然可以提出关于 Java 实现行为的问题。 - user2357112

LFENCE 只对弱序载入有用。X86 上的常规载入不是弱序的，因此 LFENCE 不提供额外的价值。 - pveentjer

Answer 1

在x86上，缓冲区被固定到缓存行。如果缓存行丢失，缓冲区中的值将不会被使用。因此，没有必要对缓冲区进行栅栏或清空操作；它们所包含的值一定是最新的，因为另一个核心在未使缓存行无效之前不能修改数据。

- David Schwartz

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抱歉，您的意思是我不需要使用lfence，因为当实际加载发生时，缓存行无效，那些加载缓冲区将被丢弃？也就是说，lfence会有一种懒惰的执行方式？ - Bober02

是的，没错。缓冲区被固定到缓存行上。如果缓存行无效，缓存读取也会失效。因此，虽然x86可以预取读取，但它永远不会使用过时的值。（当然，这只是x86的特性。） - David Schwartz

其他可能在寄存器中的变量怎么办？我认为还需要一些寄存器卸载，对吧？ - Bober02

@Bober02 JVM不会将volatile存储在寄存器中。 - David Schwartz

不是易失性变量 - 我们有易失性变量x，以及在写入x之前更改的其他变量。然而，在读取x的值后，所有变量的更改都是可见的。因此，那些可能已经在寄存器中的变量显然也需要被清除。 - Bober02

@Bober02 是的，你说得对。我老是忘记了Java做出了这个（在我看来有点荒谬）的实现改变。任何一个可以访问到那个volatile关键字修饰的变量的线程，都需要以某种方式进行同步。 - David Schwartz

Answer 2

X86提供TSO。因此，在硬件级别上，您可以免费获得以下屏障[LoadLoad] [LoadStore] [StoreStore]。唯一缺少的是[StoreLoad]。

加载具有获取语义。

r1=X
[LoadLoad]
[LoadStore]

一家商店具有发布语义。

[LoadStore]
[StoreStore]
Y=r2

如果您执行存储后紧接着进行加载，结果将如下所示：

[LoadStore]
[StoreStore]
Y=r2
r1=X
[LoadLoad]
[LoadStore]

问题在于加载和存储仍然可以被重新排序，因此它不是顺序一致的；而这对于Java内存模型来说是必需的。防止这种情况的唯一方法是使用[StoreLoad]。

[LoadStore]
[StoreStore]
Y=r2
[StoreLoad]
r1=X
[LoadLoad]
[LoadStore]

最合适的地方应该是将其添加到写入操作中，因为通常读取次数比写入操作频繁。因此，写入操作将变为：

[LoadStore]
[StoreStore]
Y=r2
[StoreLoad]

因为X86提供了TSO，所以以下栅栏可能是无操作的：

[LoadLoad] [LoadStore] [StoreStore]

因此，唯一相关的是[StoreLoad]，可以通过MFENCE或lock addl %(RSP),0来实现。

LFENCE和SFENCE在这种情况下不相关。LFENCE和SFENCE用于弱排序的加载和存储（例如SSE）。

在X86上，[StoreLoad]的作用是停止执行加载，直到存储缓冲区已被清空。这将确保在存储已全局可见（已离开存储缓冲区并进入L1d）之后从内存/高速缓存读取负载。

- pveentjer