在没有易失性机制的情况下，CPU 何时写入主存？

Posted 2023-04-12

【中文标题】在没有易失性机制的情况下，CPU 何时写入主存？

【英文标题】：When does a CPU write to main memory in the absence of a volatile mechanism?

【发布时间】：2020-07-28 11:46:56

【问题描述】：

考虑在 x64 或 ARM 上运行的多核/多处理器环境中的以下 C# 代码：

public sealed class Trio

    public long A;
    public long B;
    public long C;


public static class MP

    private static readonly object locker = new object();
    private static readonly Trio Data = new Trio();

    public static Trio ReadCopy()
    
        lock (locker)
        
            return new Trio  A = Data.A, B = Data.B, C = Data.C ;
        
    

    public static void Set(long a, long b, long c)
    
        lock (locker)
        
            Data.A = a;
            Data.B = b;
            Data.C = c;
        
    

线程的同步显然处理得很清楚。

但是，根据我的理解，基于以下观察，我有一个问题：

lock 语句保证 a) 只有一个线程可以访问 Data 和 b) Data 中的字段永远不会被“撕裂”。 Lock 提供了一个内存屏障，据我所知，这在这两种情况下不会有任何明显的影响。 由于字段未标记volatile，并且由于没有Volatile.Read() 和Volatile.Write() 操作，这三个字段将被写入缓存，而不是直接写入主内存。 直接写入主内存的唯一方法是通过上述“易失性”机制之一，因为这些机制使用ref 操作并禁用优化，从而导致主内存读/写。 查看代码，CPU 会在我不知道的某个时间点将这些字段写入主内存。 我不明白为什么多个线程可以保证看到这三个字段的最新版本，尤其是在 ARM 等弱排序内存架构上。

我的问题是：我如何确定在调用Set() 之后调用ReadCopy() 会看到三个字段的最新值？调用线程可能位于不同的内核上，并且有自己的 Data 缓存副本。

“易变”机制的存在显然是有原因的。该示例通常围绕访问非锁定内存段展开。但是，这里的例子呢？我从未见过使用lock 并且使用易失机制的代码。

【问题讨论】：

您说，“2.Lock 提供了内存屏障...”为什么您认为内存屏障不足以保证ReadCopy() 将返回大多数提供的值最近的Set(...) 电话？ （我不是 C# 程序员，但锁/互斥体/无论你怎么称呼它们都可以在我使用过的每一种 其他 编程语言中提供这种保证。）

afana.me/archive/2015/07/10/memory-barriers-in-dot-net.aspx

我不知道内存屏障会将所有未完成的缓存行写入主内存这一事实。 AFAIK，内存屏障与防止重新排序有关，而不是写入主内存。

Java 语言承诺这一点：线程 A 在释放某个锁 L 之前所做的任何分配对于线程 B 在 线程 B 之后都是可见的锁定同一个锁 L。这是一个内存屏障。这限制了硬件对线程 A 和 B 进行的读取和存储重新排序的能力。请注意，没有提到“缓存”和“主内存”。这些词不会出现在 Java 语言的正式规范中任何地方。就像我说的，我不懂 C#，但 C# 是受 Java 启发的。我敢打赌，您无需考虑“缓存”或“主内存”就可以理解 C# 的工作原理。

【参考方案1】：

引自 Igor Ostrovsky 的文章 C# - The C# Memory Model in Theory and Practice：

当一个锁定的代码块执行时，可以保证看到所有来自该块之前的块的写入，按锁定的顺序。此外，保证不会看到任何来自按照锁的顺序跟随它的块的写入。

简而言之，锁隐藏了内存模型的所有不可预测性和复杂性：如果您正确使用锁，您不必担心内存操作的重新排序。

我认为这很彻底地回答了你的问题！

还有第二部分：C# - The C# Memory Model in Theory and Practice, Part 2