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寫屏障（Write Barrier）與讀屏障（Read Barrier）的區別

在計算機科學中，寫屏障和讀屏障是兩種關鍵的內存同步機制，主要用于解決并發編程中的可見性、有序性問題，或在垃圾回收（GC）中維護內存一致性。它們的核心區別在于觸發的操作類型、應用場景及實現目標。以下是詳細對比：

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1. 定義與核心作用

類型	定義	核心作用
寫屏障	在寫操作前后插入的同步指令或邏輯，確保寫操作的順序性和可見性。	防止寫操作重排序，確保其他線程能及時看到修改后的值。
讀屏障	在讀操作前后插入的同步指令或邏輯，確保讀操作的順序性和數據有效性。	防止讀操作重排序，確保讀取的是最新值或符合預期的狀態。

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2. 應用場景

(1) 并發編程中的內存屏障

• 寫屏障：

  • 場景：在多線程中，當一個線程修改共享變量后，需確保該修改對其他線程可見。
  • 實現：
    在寫操作后插入StoreStore或StoreLoad屏障，強制將寫操作結果刷到主內存。
    示例：volatile變量的寫操作會自動插入寫屏障。

    volatile int x = 1;
    // 寫操作后插入StoreLoad屏障，確保寫完成且后續讀能看到新值
    

• 讀屏障：

  • 場景：當一個線程讀取共享變量時，需確保讀取的是最新值，而非本地緩存的舊值。
  • 實現：
    在讀操作前插入LoadLoad或LoadStore屏障，強制從主內存重新加載數據。
    示例：volatile變量的讀操作會自動插入讀屏障。

    int y = x; // 讀volatile變量x，插入LoadLoad屏障確保讀取最新值
    

(2) 垃圾回收（GC）中的屏障

• 寫屏障（GC Write Barrier）：

  • 場景：在并發標記或移動式GC（如G1、ZGC）中，跟蹤對象引用的修改，防止漏標或誤標。
  • 實現：
    當程序修改對象A的引用指向對象B時，寫屏障記錄此次修改（如將B加入標記隊列）。
    示例：在CMS的并發標記階段，寫屏障用于記錄跨代引用。

• 讀屏障（GC Read Barrier）：

  • 場景：在增量式GC或并發壓縮（如Shenandoah）中，確保讀取的引用是有效的。
  • 實現：
    當程序讀取對象引用時，讀屏障檢查該引用是否已被移動或無效，必要時觸發修復邏輯。
    示例：ZGC使用讀屏障實現染色指針，檢查引用是否指向有效地址。

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3. 底層實現對比

維度	寫屏障	讀屏障
觸發時機	寫操作（如賦值、字段更新）后觸發。	讀操作（如加載變量、訪問字段）前觸發。
硬件指令	對應StoreStore、StoreLoad屏障（如x86的mfence）。	對應LoadLoad、LoadStore屏障（如x86的lfence）。
性能開銷	較高（需刷寫緩存到內存）。	較低（僅需刷新本地緩存或加載最新值）。
典型應用	- volatile寫 - 鎖釋放 - GC中的引用更新跟蹤	- volatile讀 - 鎖獲取 - GC中的引用有效性檢查

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4. 實際案例

(1) Java中的volatile變量

• 寫屏障：

  volatile int sharedVar = 10;
  // 寫操作后插入StoreStore + StoreLoad屏障，確保：
  // 1. 當前線程的寫操作對其他線程可見。
  // 2. 禁止與后續操作重排序。
  

• 讀屏障：

  int value = sharedVar; // 讀操作前插入LoadLoad + LoadStore屏障，確保：
  // 1. 從主內存加載最新值。
  // 2. 禁止與之前操作重排序。
  

(2) 垃圾回收器中的屏障

• G1 GC的寫屏障：

  • 當對象A的字段從指向B改為指向C時，寫屏障將舊引用B和新引用C加入SATB（Snapshot-At-The-Beginning）隊列，供并發標記使用。

• ZGC的讀屏障：

  • 讀取對象引用時，檢查指針元數據（顏色標記），若對象已被移動，則通過讀屏障轉發到新地址。

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5. 性能與權衡

類型	優勢	劣勢
寫屏障	確保數據修改的及時可見性，避免其他線程讀取臟數據。	頻繁寫操作時性能損耗較大（如大量volatile寫）。
讀屏障	按需加載最新數據，減少不必要的內存同步開銷。	讀操作可能延遲（需等待屏障邏輯完成）。

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尾聲

• 寫屏障：關注寫操作的有序性與可見性，用于同步數據修改、GC引用跟蹤等場景。
• 讀屏障：關注讀操作的有序性與數據有效性，用于同步數據加載、GC引用檢查等場景。
• 核心區別：
  • 寫屏障解決“如何讓其他線程看到我的修改”問題。
  • 讀屏障解決“如何確保我讀到的是最新有效數據”問題。