说起内存屏障，首先得明白一个基本的概念：CPU 在执行指令的时候，可能会做一些优化，比如指令重排序。它会把一些操作顺序打乱，这样可以提高性能。举个例子，假如我们有两个操作，操作 A 和操作 B。
为了提升性能，CPU 可能会把这两个操作的顺序调换，这个过程就是“指令重排序”。从表面上看，这样似乎没什么问题，反而提升了性能，但问题是如果我们希望这两个操作按照特定的顺序执行呢？
尤其是多线程编程中，假如一个线程在修改共享数据，另一个线程去读取这些数据，重排序就可能引发数据的不一致问题。
这就像你在超市排队，前面有人拿了两瓶牛奶，你站在后面看着他拿第二瓶，结果他突然把第一瓶放回去，结果你在结账时拿到了错的东西。内存屏障正是为了解决这种问题，让指令按照我们预期的顺序执行。
内存屏障的作用
我们可以把内存屏障看成是一个同步点，它的作用就是强制要求程序的执行顺序。简单来说，内存屏障阻止了指令重排序，使得屏障前后的操作不会互相影响。你可以把它想象成一道屏障，屏障前的操作必须先完成，才会进行屏障后的操作。
Java 8 引入了三种常见的内存屏障方法，分别是
loadFence
、
storeFence
和
fullFence
。这三种方法分别对应不同类型的内存操作屏障：
-
loadFence()
：这个方法会禁止加载操作的重排序。就是说，屏障前的加载操作必须先执行，屏障后的加载操作不能先执行。
-
storeFence()
：与
loadFence
相对应，
storeFence()
会禁止存储操作的重排序。即屏障前的存储操作必须先执行，屏障后的存储操作不能先执行。
-
fullFence()
：顾名思义，
fullFence
会禁止所有操作的重排序。它是一个全方位的屏障，既能防止加载操作重排序，也能防止存储操作重排序。
这些方法都是通过
Unsafe
类实现的，这是一个 Java 底层类，它提供了对内存和操作系统底层的访问。
内存屏障与 volatile 的关系
看到内存屏障，很多人可能会想到
volatile
关键字。的确，
volatile
和内存屏障有一些相似之处，都是为了解决多线程中的可见性问题。
当一个线程修改了一个
volatile
变量，其他线程可以立刻看到修改后的值。这是因为
volatile
变量会直接从主内存中读取，而不是从线程的本地缓存中读取。
不过，内存屏障能提供更为细粒度的控制，它不仅仅解决了可见性问题，还可以解决指令重排序的问题。让我们通过一个例子来看看它的实际效果。
@Getter
class ChangeThread implements Runnable{
boolean flag = false;
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("subThread change flag to:" + flag);
flag = true;
}
}
public static void main(String[] args){
ChangeThread changeThread = new ChangeThread();
new Thread(changeThread).start();
while (true) {
boolean flag = changeThread.isFlag();
unsafe.loadFence(); // 加入读内存屏障
if (flag){
System.out.println("detected flag changed");
break;
}
}
System.out.println("main thread end");
}
这段代码演示了如何使用
loadFence
来确保主线程能够看到子线程对
flag
变量的修改。
假设我们没有使用内存屏障，主线程将无法感知到子线程对
flag
的修改，陷入无限循环。而加上
loadFence
后，主线程能够正确地检测到
flag
变量的变化并跳出循环。
内存屏障的典型应用
说到内存屏障，另一个值得一提的地方是在
StampedLock
中的应用。
StampedLock
是 Java 8 中引入的锁机制，它改善了传统的读写锁（
ReadWriteLock
），提供了乐观读锁。乐观读锁的好处在于，它不会阻塞写线程，从而解决了读多写少场景中的“写线程饥饿”问题。
但是，
StampedLock
也面临着一个问题：当线程共享变量从主内存加载到工作内存时，可能会发生数据不一致。为了避免这种问题，
StampedLock
的
validate
方法会通过调用
Unsafe
的
loadFence
方法，加入内存屏障。
public boolean validate(long stamp) {
U.loadFence();
return (stamp & SBITS) == (state & SBITS);
}
这里，
loadFence()
就是一个防止内存重排序的屏障，确保在验证
stamp
的有效性时，工作内存中的数据已经同步到主内存中，从而避免了数据不一致的问题。
总结
当我们讨论内存屏障时，实际上是在讨论如何确保多线程程序中的数据同步和指令顺序。在 Java 中，内存屏障通过
Unsafe
提供了对内存操作的细粒度控制，能够有效地防止指令重排序带来的问题。尤其是在高并发场景下，合理使用内存屏障能够帮助我们实现更为高效和安全的多线程编程。
如果你在面试中遇到类似的题目，以下是一个最优的回答：
内存屏障是一种确保多线程程序在进行内存操作时能够遵循指定顺序的机制。它主要通过禁止指令重排序来避免数据不一致问题。
在 Java 中，我们可以通过
Unsafe
类的
loadFence
、
storeFence
和
fullFence
方法来实现不同类型的内存屏障。内存屏障通常用于多线程编程中，解决线程间的数据同步问题。例如，在
StampedLock
中，通过
loadFence
方法防止了数据不一致的情况。
