Volatile & 内存一致性模型

参考 What Volatile Means in Java，Memory Models，Consistency model。另外，stack overflow 的讨论或许有用。

Java 中的 volatile 可以保证可见性、有序性。可见性：线程 A 写入 volatile 变量，线程 B 读取该 volatile 变量可以读到最新值，并且在线程 A 写入 volatile 变量之前对 A 可见的变量值，在线程 B 读取该 volatile 变量之后对 B 也可见。有序性：禁止（编译器/CPU）对 volatile 变量相关的指令进行重排优化。虽然 Java 并发编程实战中提到 volatile 不能保证原子性，但是对 long/double 类型的 volatile 变量的简单赋值操作是原子的，我所说的简单赋值是指不依赖变量当前值的赋值操作。

问题

在《深入理解 Java 虚拟机》第 12 章中有提到 volatile 相关的汇编代码，简单的示例如下。书中提到 lock addl 相当于一个内存屏障，阻止跨内存屏障的指令重排，同时还会将当前处理器的缓存写入内存，以及使其他处理器的缓存失效，从而禁止指令重排。

private static boolean a;
private volatile static boolean b;

public static void foo() {
    a = true;
    b = true;
}

0x000002271ed4378c: movabs $0x711dec880,%r10 ; {oop(a 'java/lang/Class'{0x0000000711dec880} = 'Test')}
0x000002271ed43796: movb $0x1,0x70(%r10)
0x000002271ed4379b: movb $0x1,0x71(%r10)
0x000002271ed437a0: lock addl $0x0,-0x40(%rsp) ;*putstatic b {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
; - Test::foo@5 (line 8)

最初，我有个疑问，就是赋值语句之后的内存屏障无法禁止屏障之前的指令重排，例如此处的两个赋值语句 a=true 和 b=true 是否可能重排。询问 Jeremy（JSR-133 的作者之一）之后，他告诉我：

It is possible for processors to do that in general, but x86 doesn’t, so you don’t need a barrier there. Search for “total store order” if you’re curious.

然后，我查找和 TSO 相关的内容时，又一次找到 Russ Cox 的博客，以下内容部分来自该博客。

概念

顺序一致性（Sequential Consistency）：单个处理器按照程序顺序执行（不重排指令），多个处理器按照某种顺序交错执行，这样的多处理器就是顺序一致的。

大多数指令集架构不提供顺序一致的内存模型，因为更强的一致性通常意味着更少的优化（更低的性能）。x86 使用 Total Store Order（TSO）内存模型：所有处理器都连接到单个共享内存，但是每个处理器有一个本地的写入队列，写入操作排队写入共享内存，读取操作会优先读取本地写入队列中的值（如果有的话）。ARM/POWER 的内存模型更加宽松：每个处理器从自己的内存完整副本中读取和写入，读取可以延迟到写入之后，并且每个写入都独立地传播到其他处理器，在写入传播时允许重新排序。

测试

Litmus Test（石蕊测试）：初始时 x=0,y=0（共享变量），rn 表示私有存储（例如，寄存器或者局部变量），不考虑编译器重排指令。

以下程序是否可以看到 r1=1,r2=0？顺序一致性和 x86 中不可以，ARM/POWER 中可以。

// Thread1
x = 1
y = 1
// Thread2
r1 = y
r2 = x

以下程序是否可以看到 r1=0,r2=0？顺序一致性中不可以，x86 和 ARM/POWER 中可以。

// Thread1
x = 1
r1 = y
// Thread2
y = 1
r2 = x

其他

区分 consistency 和 coherency：consistency 表示多个处理器对所有内存位置的操作的总顺序达成一致，coherency 表示多个处理器对相同内存位置的操作的总顺序达成一致。

JMM 为程序中所有操作定义了一个偏序关系，称为 Happens-Before。操作 A Happens-Before 操作 B 的含义是：如果操作 A 先于操作 B 发生，那么执行操作 B 的线程能够看到操作 A 的结果。如果两个操作没有 Happens-Before 关系，那么 JVM/CPU 可以对它们任意地重新排序。