内存屏障，先看这篇文章

刚看到这个词的时候，我以为是白内障，然后查了很多资料，才理解内存屏障是干嘛的，我就不像很多其他文章说得那么多了，我希望我说得简单一些，让大家看了我的文章都知道这个是怎么回事。

说到内存屏障，我们先从CPU性能优化说起

性能优化的方法一，缓存

CPU的速度很快，到底有多快？我们就用光速来比喻CPU的执行速度吧，反正就是执行读写很快，但是CPU速度很快，内存的速度很慢，怎么办？

这时候，高速缓存出现了「先不抬杠说寄存器哈」。比如有一个变量a ，CPU在很长一段时间内都需要使用它，如果把他放在内存里面的话，每次读写的速度都很慢，这样严重拖慢了CPU的执行速度。

所以就出现了缓存

缓存也是分类的，缓存分成了三类，我简单说明下

缓存同步协议MESI如果在4个CPU在各自的L1 里面都有一个变量 i ，他们要把这个变量i写入到内存里面去，是以哪一个为准呢？

这个时候就需要缓存的同步协议，每个cpu对缓存里面的变量操作的时候，要通知其他CPU，让他们知道当前的状态。

CPU不仅需要发消息给其他CPU告诉他们状态，同时也要接收其他CPU发出来的状态。

这样做的最终目的，就是为了保证CPU对变量操作的一致性。

CPU性能优化的方法二，运行时指令重排

指令重排是个有意思的事情，如果把CPU当成是一个人的话，他也是有自己的意识的，存在意识的东西，就会存在自己做事情的方法，比如，我今天要去打篮球，还要去帮妈妈打酱油，我是先打篮球还是先打酱油，因为个人的意识不同，做事情的先后顺序也存在差异。

为什么出现指令重排？如果有一个CPU，我们假设是CPU0吧，它在写缓存的的某个区块的时候，发现这个缓存位置刚好被CPU1正常操作，那他怎么办？有两种方法，一种是等待CPU1执行结束后自己再执行，还有一种方法就是先去干其他的事情，很明显，CPU为了提高自己的性能，它会选择第二种方法，就是先去干其他的事情，干其他的事情，就出现上面描述的情况，指令重排了。

所以我们会有一个疑问？代码是按照程序员的想法去执行的呢？还是按照CPU的想法去执行的呢？回答当然是需要按照程序员的意识去执行的。

所以要求，指令重排遵循as-if-serial语义这个是什么意思呢？就是说指令重排的结果不能影响程序员预期的结果，比如上面的代码，重排后就会出现问题，那么CPU就不能对指令进行重排。

注意，上面所说的as-if-serial语义针对的是单核CPU来说

但是如果是下面的代码

a = 100;
b = c;

上面两条语句不存在依赖关系，它们可以进行指令重排，因为重排后不会影响最后的执行结果。

高速缓存和指令重排序(reordings)存在的问题

缓存机制和指令重排都是为了CPU运算的性能优化。会出现两个问题。1、缓存和内存的数据并不是时实同步的，同一个内存地址，不同的CPU看到的内存值是不一样的。因为CPU运行速度很快，假设，CPU0 读地址 0x2345 的时候值为 1，这个时候，CPU1向 0x2345写入了 2，CPU2再读这个内存 0x2345 的值的时候，发现它变成2了。所以就有问题了。

出现的问题是同一个时间点上，不同的CPU看到的同一个内存地址数据不一样

2、我们指令重排说的as-if-serial语义只是针对单个CPU，那多个CPU呢？会出现什么问题

看下面的例子：

看上面图片

CPU0 要执行两条指令，CPU1也要执行两条指令，但是如果他们执行的先后顺序不同，那么x和y的结果也将存在差异。

第一种情况如下图执行顺序会导致 x = 0 , y = 1。

第二种情况如下图执行顺序会导致 x =1，y = 0。第三种情况如下图执行顺序会导致 x = 1,y=1。

结果跟程序员的预期不符合出现的问题是，多个CPU，也就是我们经常所说的SMP系统下，会出现结果和预期不一致的问题

最后说内存屏障（Memory Barrier）

内存屏障就是用来解决上面两个问题的。这个是CPU厂商来搞定的。

写内存屏障（Store Memory Barrier）写内存屏障的意思就是在写内存的后面加入指令 Store Barrier ，如果CPU有读的也有写的，加了这条指令，就保证先执行写入而不去做指令重排，这种显示调用可以让其他线程看到。其他线程会等这个执行结束后再去操作，既然是等待，那也是降低性能的，好吧，降低性能也是没有办法的事情了。

就拿上面的图片来说明A = 1 B = 1 这两个是写操作，我们加上写内存屏障，即使其他CPU有读的指令，我们需要等待这个写完成后，再进行读操作。

读内存屏障（Load Memory Barrier）在读指令之前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从内存加载最新的数据，让CPU缓存和主内存保持一致，避免了缓存导致的一致性问题。

void executedOnCpu0() {value = 10;/*在更新数据之前必须将所有存储缓存（store buffer）中的指令执行完毕。*/storeMemoryBarrier();finished = true;
}
void executedOnCpu1() {while(!finished);/*在读取之前将所有失效队列中关于该数据的指令执行完毕。*/loadMemoryBarrier();assert value == 10;
}