内存栅栏和内存对齐

 
Cache 一致性问题
单核 Cache 中每个 Cache line 有2个标志：dirty 和 valid 标志，它们很好的描述了 Cache 和 Memory 之间的数据关系（数据是否有效，数据是否被修改），而在多核处理器中，多个核会共享一些数据。

 
只有 Core 0 访问变量 x，它的 Cache line 数据和内存中的数据一致，数据只存在于本 Cache 中。

 
3个 Core 都访问变量 x，它们对应的 Cache line 数据和内存中的数据一致，数据存在于很多 Cache 中。

 

Core 0 修改了x的值之后，这个 Cache line 数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本 Cache 中。其他 Core 对应的 Cache line 数据无效。

 
内存栅栏
简单来说，内存栅栏（Memory Barrier）就是从本地或工作内存到主存之间的拷贝动作。


 
仅当写操作线程先跨越内存栅栏而读线程后跨越内存栅栏的情况下，写操作线程所做的变更才对其他线程可见。关键字 synchronized 和 volatile 都强制规定了所有的变更必须全局可见，该特性有助于跨越内存边界动作的发生，无论是有意为之还是无心插柳。
在程序运行过程中，所有的变更会先在寄存器或本地 cache 中完成，然后才会被拷贝到主存以跨越内存栅栏。此种跨越序列或顺序称为 happens-before。
写操作必须要 happens-before 读操作，即写线程需要在所有读线程跨越内存栅栏之前完成自己的跨越动作，其所做的变更才能对其他线程可见。


内存对齐
为何要内存对齐？
1. 平台原因（移植原因）：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
2. 性能原因：经过内存对齐后，CPU的内存访问速度大大提升。

 
这是普通程序员心目中的内存印象，由一个个的字节组成，而 CPU 并不是这么看待的。


 
CPU 把内存当成是一块一块的，块的大小可以是2，4，8，16字节大小，因此 CPU 在读取内存时是一块一块进行读取的。块大小成为 memory accessgranularity（粒度）本人把它翻译为"内存读取粒度"。
假设CPU要读取一个int型4字节大小的数据到寄存器中，分两种情况讨论：
1. 数据从0字节开始

 
2. 数据从1字节开始
再次假设内存读取粒度为4。



 
当该数据是从0字节开始时，CPU 只需读取内存一次即可把这4字节的数据完全读取到寄存器中。
当该数据是从1字节开始时，问题变的有些复杂，此时该 int 型数据不是位于内存读取边界上，这就是一类内存未对齐的数据。

此时 CPU 先访问一次内存，读取0—3字节的数据进寄存器，并再次读取4—5字节的数据进寄存器，接着把0字节和6，7，8字节的数据剔除，最后合并1，2，3，4字节的数据进寄存器。对一个内存未对齐的数据进行了这么多额外的操作，大大降低了 CPU 性能。
这还属于乐观情况了，上文提到内存对齐的作用之一为平台的移植原因，因为以上操作只有有部分 CPU 肯干，其他一部分 CPU 遇到未对齐边界就直接*罢*工*了。