深入Java底层：内存屏障与JVM并发详解(3)

内存屏障能够避免

JVM非常擅于消除不必要的内存屏障。通常JVM很幸运，因为硬件内存模型的一致性保障强于或者等于Java内存模型。在这种情况下，JVM只是简单地插 入一个no op语句，而不是真实的内存屏障。

例如，x86和SPARC内存模型的一致性保障足够强壮以消除读volatile变量时所需的内存屏障。还记得在 Itanium上两次读操作之间的显式单向内存屏障吗？x86上的Dekker算法中连续volatile读操作的汇编指令之间没有任何内存屏障。x86平台上共享内存的连续读操作。

1. 1  0x03f83422: mov    $0x148,%ebp        ;...bd480100 00  
2.  2  0x03f83427: mov    $0x14d,%edx        ;...ba4d0100 00  
3.  3  0x03f8342c: movsbl -0x505a72f0(%edx),%ebx  ;...0fbe9a10 8da5af  
4.  4  0x03f83433: test   %ebx,%ebx          ;...85db  
5.  5  0x03f83435: jne    0x03f83460         ;...7529  
6.  6  0x03f83437: movl   $0x1,-0x505a72f0(%ebp)  ;...c785108d a5af01  
7.  7  0x03f83441: movb   $0x0,-0x505a72f0(%edi)  ;...c687108d a5af00  
8.  8  0x03f83448: mfence                    ;...0faef0  
9.  9  0x03f8344b: add    $0x8,%esp          ;...83c408  
10. 10  0x03f8344e: pop    %ebp               ;...5d  
11. 11  0x03f8344f: test   %eax,0xb78ec000    ;...850500c0 8eb7  
12. 12  0x03f83455: ret                       ;...c3  
13. 13  0x03f83456: nopw   0x0(%eax,%eax,1)   ;...66660f1f 840000  
14. 14  0x03f83460: mov    -0x505a72f0(%ebp),%ebx  ;...8b9d108d a5af  
15. 15  0x03f83466: test   %edi,0xb78ec000    ;...853d00c0 8eb7 

第三行和第十四行存在volatile读操作，而且都没有伴随内存屏障。也就是说，x86和SPARC上的volatile读操作的性能下降对于代码的优 化影响很小——指令本身和常规读操作一样。

单向内存屏障本质上比双向屏障性能要好一些。JVM在确保单向屏障即可的情况下会避免使用双向屏障。本文的第一个例子展示了这点。Itanium平台上的 连续两次读操作被插入单向内存屏障。如果读操作插入显式双向内存屏障，程序仍然正确，但是延迟比较长。

动态编译

静态编译器在构建阶段决定的一切事情，在动态编译器那里都可以在运行时决定，甚至更多。更多信息意味着存在更多机会可以优化。例如，让我们看看JVM在单 处理器运行时如何对待内存屏障。以下指令流来自于通过Dekker算法实现两次连续volatile写操作的运行时编译。程序运行于 x86硬件上的单处理器模式中的VMWare工作站镜像。

1. 1  0x017b474c: push   %ebp               ;...55  
2.  2  0x017b474d: sub    $0x8,%esp          ;...81ec0800 0000  
3.  3  0x017b4753: mov    $0x14c,%edi        ;...bf4c0100 00  
4.  4  0x017b4758: movb   $0x1,-0x507572f0(%edi)  ;...c687108d 8aaf01  
5.  5  0x017b475f: mov    $0x148,%ebp        ;...bd480100 00  
6.  6  0x017b4764: mov    $0x14d,%edx        ;...ba4d0100 00  
7.  7  0x017b4769: movsbl -0x507572f0(%edx),%ebx  ;...0fbe9a10 8d8aaf  
8.  8  0x017b4770: test   %ebx,%ebx          ;...85db  
9.  9  0x017b4772: jne    0x017b4790         ;...751c  
10. 10  0x017b4774: movl   $0x1,-0x507572f0(%ebp)  ;...c785108d 8aaf0111   
11. 12  0x017b4785: add    $0x8,%esp          ;...83c408  
12. 13  0x017b4788: pop    %ebp               ;...5d 

在单处理器系统上，JVM为所有内存屏障插入了一个no op指令，因为内存操作已经序列化了。每一个写操作（第10、11行）后面都跟着一个屏障。JVM针对原子条件式做了类似的优化。下面的指令流来自于同一 个VMWare镜像的AtomicInteger.incrementAndGet动态编译结果。

1. 1  0x036880f7: push   %ebp               ;...55  
2.  2  0x036880f8: mov    %esp,%ebp          ;...8bec  
3.  3  0x036880fa: sub    $0x38,%esp         ;...83ec38  
4.  4  0x036880fd: jmp    0x0368810a         ;...e9080000 00  
5.  5  0x03688102: xchg   %ax,%ax            ;...6690  
6.  6  0x03688104: test   %eax,0xb78b8100    ;...85050081 8bb7  
7.  7  0x0368810a: mov    0x8(%ecx),%eax     ;...8b4108  
8.  8  0x0368810d: mov    %eax,%esi          ;...8bf0  
9.  9  0x0368810f: inc    %esi               ;...46  
10. 10  0x03688110: mov    $0x9a3f03d0,%edi   ;...bfd0033f 9a  
11. 11  0x03688115: mov    0x160(%edi),%edi   ;...8bbf6001 0000  
12. 12  0x0368811b: mov    %ecx,%edi          ;...8bf9  
13. 13  0x0368811d: add    $0x8,%edi          ;...83c708  
14. 14  0x03688120: cmpxchg %esi,(%edi)       ;...0fb137  
15. 15  0x03688123: mov    $0x1,%eax          ;...b8010000 00  
16. 16  0x03688128: je     0x03688133         ;...0f840500 0000  
17. 17  0x0368812e: mov    $0x0,%eax          ;...b8000000 00  
18. 18  0x03688133: cmp    $0x0,%eax          ;...83f800  
19. 19  0x03688136: je     0x03688104         ;...74cc  
20. 20  0x03688138: mov    %esi,%eax          ;...8bc6  
21. 21  0x0368813a: mov    %ebp,%esp          ;...8be5  
22. 22  0x0368813c: pop    %ebp               ;...5d 

注意第14行的cmpxchg指令。之前我们看到编译器通过lock前缀把该指令提供给处理器。由于缺少SMP，JVM决定避免这种成本——与静态编译有些不同。

结束语

内存屏障是多线程编程的必要装备。它们形式多样，某些是显式的，某些是隐式的。某些是双向的，某些是单向的。JVM利用这些形式在所有平台中有效地支持Java内存模型。我们希望本文能够帮助经验丰富的JVM开发人员了解一些代码在底层如何运行的知识。

（常州java培训机构）