内存屏障是什么?

100阅读 0评论2019-09-13 lelv123
分类:LINUX

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当你看到“内存屏障”四个字的时候,你的第一反应是什么?寄存器里取出了错误的值?ifence,sfence之类的指令?还是诸如volatile之类的关键字?好吧,我第一次看到这四个字的时候,脑子里浮现出的是魔兽争霸里绿油油的铺满苔藓的岩石屏障- -#,并且,当我搞明白内存屏障具体是什么,而且自认为对其很熟悉之后,我的第一反应依然是那几块绿油油的石头,而且很想上去A一把!

言归正传,先解释下什么是内存屏障。内存屏障是指“由于编译器的优化和缓存的使用,导致对内存的写入操作不能及时的反应出来,也就是说当完成对内存的写入操作之后,读取出来的可能是旧的内容”(摘自《独辟蹊径品内核》)。(这里概念貌似不是很准确,正确的定义:为了防止编译器和硬件的不正确优化,使得对存储器的访问顺序(其实就是变量)和书写程序时的访问顺序不一致而提出的一种解决办法。 它不是一种错误的现象,而是一种对错误现象提出的解决方发----欢迎指正!!)

概念就是概念,生硬的东西,懂的人能从中悟出点什么,不懂的人还是一头雾水。不要着急,我们先给内存屏障分下类,然后挨个来研究一番,等看完这篇文章,再回来读读概念,你就懂了!

内存屏障的分类:

  1. 编译器引起的内存屏障
  2. 缓存引起的内存屏障
  3. 乱序执行引起的内存屏障

1、编译器引起的内存屏障:

我们都知道,从寄存器里面取一个数要比从内存中取快的多,所以有时候编译器为了编译出优化度更高的程序,就会把一些常用变量放到寄存器中,下次使用该变量的时候就直接从寄存器中取,而不再访问内存,这就出现了问题,当其他线程把内存中的值改变了怎么办?也许你会想,编译器怎么会那么笨,犯这种低级错误呢!是的,编译器没你想象的那么聪明!
举例:一个线程PA在循环等待另一个线程PB修改flag。 Gcc等编译器在编译的时候发现,PA不会修改flag的值,所以,为了提高效率,它就会把某个寄存器分配给flag。
这时,当PB修改了flag的值,PA还在傻乎乎的读寄存器的值而不知道其实flag已经改变了。由此可见,编译器的优化带来了相反的效果!

但是,你又不能说是让编译器放弃这种优化,因为在很多场合下,这种优化带来的性能是十分可观的!那我们该怎么办呢?有没有什么办法可以避免这种情况?答案必须是肯定的,我们可以使用关键字volatile来避免这种情况
我们就能避免编译器把某个寄存器分配给flag了。

2、缓存引起的内存屏障

好,既然寄存器能够引起这样的问题,那么缓存呢?我们都知道,CPU会把数据取到一个叫做cache的地方,然后下次取的时候直接访问cache,写入的时候,也先将值写入cache。

那么,先让我们考虑,在单核的情况下会不会出现问题呢?先想一下,单核情况下,除了CPU还会有什么会修改内存?对了,是外部设备的DMA!那么,DMA修改内存,会不会引起内存屏障的问题呢?答案是,在现在的体系结构中,不会。

当外部设备的DMA操作结束的时候,会有一种机制保证CPU知道他对应的缓存行已经失效了;而当CPU发动DMA操作时,在想外部设备发送启动命令前,需要把对应cache中的内容写回内存。在大多数RISC的架构中,这种机制是通过一写个特殊指令来实现的。在X86上,采用一种叫做总线监测技术的方法来实现。就是CPU和外部设备访问内存的时候都需要经过总线的仲裁,有一个专门的硬件模块用于记录cache中的内存区域,当外部设备对内存写入的时候,就通过这个硬件来判断下改内存区域是否在cache中,然后再进行相应的操作。

那么,什么时候才能产生cache引起的内存屏障呢?多CPU? 是的,在多CPU的系统里面,每个CPU都有自己的cache,当同一个内存区域同时存在于两个CPU的cache中时,CPU1改变了自己cache中的值,但是CPU2却仍然在自己的cache中读取那个旧值,这种结果是不是很杯具呢?因为没有访存操作,总线也是没有办法监测的,这时候怎么办?

对阿,怎么办呢?我们需要在CPU2读取操作之前使自己的cache失效,x86下,很多指令能做到这点,如lock前缀的指令,cpuid, iret等。内核中使用了一些函数来完成这个功能:mb(), rmb(), wmb()。用的也是以上那些指令,感兴趣可以去看下内核代码。
PPC和MIPS架构上,msync() sync() 也可解决这类核间不同步的问题。


3、乱序执行引起的内存屏障:

我们都知道,超标量处理器越来越流行,连龙芯都是四发射的。超标量实际上就是一个CPU拥有多条独立的流水线,一次可以发射多条指令,因此,很多允许指令的乱序执行,具体怎么个乱序方法,可以去看体系结构方面的书,这里只说内存屏障。

指令乱序执行了,就会出现问题,假设指令1给某个内存赋值,指令2从该内存取值用来运算。如果他们两个颠倒了,指令2先从内存中取值运算,是不是就错了?

对于这种情况,不同的架构有不同的指令来停止流水线,迫使cpu严格按照指令序执行
对于x86结构,mb rmb wmb 用于保证指令之前的读写操作全部已经按照顺序完成,而不会乱序
内核中的接口,barrier()就是用作此途。


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