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深入理解Java中的内存屏障(Memory Barrier)_LoadLoad与StoreStore屏障说明

P粉602998670

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发布时间:2026-02-12 17:28:53

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来源于php中文网

原创

volatile读后jvm会在其与后续普通读间插入loadload屏障以确保顺序,x86下常优化为空操作,而arm需dsb ish指令开销更高。

深入理解java中的内存屏障(memory barrier)_loadload与storestore屏障说明

Java里哪些操作会隐式插入LoadLoad屏障

在HotSpot JVM中,volatile读本身不单独触发LoadLoad屏障,但它的语义要求:**后续所有普通读必须看到该volatile读之前已从主内存加载的值**。因此JVM会在volatile读之后、下一个普通读之前插入LoadLoad屏障(x86下常被编译为lfence或空操作,因x86天然有强顺序)。

常见误判是以为synchronized块入口/出口会插LoadLoad——其实不会;它保证的是锁获取/释放时的LoadStoreStoreStore(对临界区外的读无强制重排约束)。

  • volatile int x读之后立即读int y,JVM可能插入LoadLoad确保y不被重排到x读之前
  • final字段初始化完成后的读,不触发LoadLoad(由StoreStore保障构造过程可见性)
  • 使用Unsafe.loadFence()可显式插入,但仅限JDK9+,且需--add-opens java.base/jdk.internal.misc=ALL-UNNAMED

StoreStore屏障在对象发布场景中为什么关键

对象“逸出”(如写入静态集合、作为参数传给其他线程)前,若字段未完全初始化就暴露引用,其他线程可能看到部分构造的对象。JVM在new对象后、执行构造器前,会插入StoreStore屏障,确保所有字段写操作不被重排到new指令之后——但这个屏障只作用于本线程内部写序,并不保证其他线程立即看到。

真正起作用的是:构造器结束 + volatile写 / 锁释放,组合触发StoreStore + 内存同步语义。

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  • 错误写法:obj = new MyObj(); list.add(obj);listvolatile,无同步,其他线程可能看到obj字段默认值
  • 安全写法:obj = new MyObj(); synchronized(lock) { list.add(obj); } → 锁释放隐含StoreStore,且刷新缓存
  • JDK17+可考虑VarHandle.releaseFence()替代手动屏障,但语义更重,慎用

不同CPU架构下LoadLoad/StoreStore的实际开销差异

x86/x64上LoadLoadStoreStore多数被优化为空指令(如nop),因为其内存模型天然禁止大多数重排;而ARM/AArch64必须用dsb ishdmbsy等完整屏障指令,开销高一个数量级。

这意味着:在ARM设备(如Android、Apple Silicon Mac)上,频繁volatile读写或显式Unsafe屏障会显著拖慢性能,而在x86服务器上几乎无感。

  • OpenJDK中OrderAccess::loadload()在x86展开为空,在ARM展开为__asm__ volatile("dsb ish" ::: "memory")
  • 使用@Contended减少伪共享,比滥用volatile更能缓解ARM下的性能问题
  • CI/CD中做性能对比时,务必在目标架构(而非开发机x86)上压测

为什么不能靠“加volatile”解决所有重排问题

volatile字段读写自带LoadLoad/LoadStore/StoreLoad/StoreStore组合,但它只保护该字段本身,不构成对周围代码的“围栏”。比如volatile写后跟一个普通写,后者仍可能被重排到前者之前(只要不违反volatile语义)——这是很多人踩坑的根源。

  • 错误假设:flag = true; data = 42; → 改成volatile flag = true; data = 42;就能让data对其他线程可见?不能,data仍是普通变量,无同步保障
  • 正确做法:要么data也声明为volatile,要么用锁包裹两行,或用VarHandle.setRelease()getAcquire()
  • JSR-133规范明确:volatile写仅建立与后续volatile读之间的happens-before,不自动传播到非volatile访问

屏障不是魔法开关,它只约束特定指令间的顺序关系;真正决定可见性的,是happens-before链是否闭合。这点最容易被忽略,也最难调试。

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