深入理解Java中的volatile、内存屏障与CPU指令

在阅读书籍时，我偶然发现了AtomicInteger类中的一个名为lazySet的方法，起初对其作用感到困惑。因此，这篇文章将深入探讨lazySet方法的工作原理，并解释它与普通set方法的区别。

lazySet方法的源代码如下：

public final void lazySet(int newValue) {
    unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}

而普通的set方法则相对简单：

public final void set(int newValue) {
    value = newValue;
}

其中，value是一个volatile类型的变量。根据相关资料，lazySet方法与set方法的主要区别在于减少了StoreLoad屏障的使用，从而降低了开销。

为什么需要内存屏障

CPU与内存之间存在多级缓存，这使得在多线程环境下，不同线程可能会看到不一致的数据。为了确保程序的正确性和可预期性，我们需要一种机制来保证数据的一致性。内存屏障正是为此而设计的。

常见的内存屏障类型有：

• LoadLoad屏障：确保在Load2及其后续读取操作之前，Load1已经完成。


• StoreStore屏障：确保在Store2及其后续写入操作之前，Store1对其他处理器可见。


• LoadStore屏障：确保在Store2及其后续写入操作之前，Load1已经完成。


• StoreLoad屏障：确保在Load2及其后续所有读取操作之前，Store1对所有处理器可见。这是四种屏障中最慢的一种，但在大多数处理器实现中，它可以兼顾其他三种屏障的功能。

实际上，在Intel CPU中，LoadLoad对应于lfence指令，LoadStore对应于sfence指令，而StoreLoad对应于mfence指令。

为什么StoreLoad屏障最慢

StoreLoad屏障之所以最慢，是因为它需要确保屏障前的所有Store和Load操作对屏障后的所有Load和Store操作都可见。这种强一致性要求导致其实现复杂且耗时。

为什么会有指令重排序

现代CPU为了提高性能，会对指令进行重排序。虽然这可以提升执行效率，但也可能导致多线程环境下的数据不一致问题。因此，内存屏障的存在就是为了防止这种重排序带来的副作用。

1. JUC中Atomic class之lazySet的一点疑惑


2. Memory Barriers Are Like Source Control Operations


3. 指令重排序的解释