内存屏障

Posted 2021-05-25 郭慕荣博客园

内存屏障（Memory Barrier）与内存栅栏（Memory Fence）是同一个概念，不同的叫法。
通过volatile标记，可以解决编译器层面的可见性与重排序问题。而内存屏障则解决了硬件层面的可见性与重排序问题。

先简单了解两个指令：

• Store：将处理器缓存的数据刷新到内存中。
• Load：将内存存储的数据拷贝到处理器的缓存中。

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad Barriers	Load1;LoadLoad;Load2	该屏障确保Load1数据的装载先于Load2及其后所有装载指令的的操作
StoreStore Barriers	Store1;StoreStore;Store2	该屏障确保Store1立刻刷新数据到内存(使其对其他处理器可见)的操作先于Store2及其后所有存储指令的操作
LoadStore Barriers	Load1;LoadStore;Store2	确保Load1的数据装载先于Store2及其后所有的存储指令刷新数据到内存的操作
StoreLoad Barriers	Store1;StoreLoad;Load2	该屏障确保Store1立刻刷新数据到内存的操作先于Load2及其后所有装载装载指令的操作。它会使该屏障之前的所有内存访问指令(存储指令和访问指令)完成之后,才执行该屏障之后的内存访问指令

StoreLoad Barriers同时具备其他三个屏障的效果，因此也称之为全能屏障（mfence），是目前大多数处理器所支持的；但是相对其他屏障，该屏障的开销相对昂贵。
然而，除了mfence，不同的CPU架构对内存屏障的实现方式与实现程度非常不一样。相对来说，Intel CPU的强内存模型比DEC Alpha的弱复杂内存模型（缓存不仅分层了，还分区了）更简单。x86架构是在多线程编程中最常见的，下面讨论x86架构中内存屏障的实现。

不过不管是那种方案，内存屏障的实现都要针对乱序执行的过程来设计。前文的注释中讲解了乱序执行的基本原理：核心是一个序列缓冲区，只要指令的数据运算对象是可以获取的，指令就被允许在先进入的、旧的指令之前离开序列缓冲区，开始执行。对于内存可见性的语义，内存屏障可以通过使用类似MESI协议的思路实现。对于重排序语义的实现机制，猴子没有继续研究，一种可行的思路是：

• 当CPU收到屏障指令时，不将屏障指令放入序列缓冲区，而将屏障指令及后续所有指令放入一个FIFO队列中（指令是按批发送的，不然没有乱序的必要）
• 允许乱序执行完序列缓冲区中的所有指令
• 从FIFO队列中取出屏障指令，执行（并刷新缓存等，实现内存可见性的语义）
• 将FIFO队列中的剩余指令放入序列缓冲区
• 恢复正常的乱序执行

对于x86架构中的sfence屏障指令而言，则保证sfence之前的store执行完，再执行sfence，最后执行sfence之后的store；除了禁用sfence前后store乱序带来的新的数据依赖外，不影响load命令的乱序。详细见后。

x86架构的内存屏障
x86架构并没有实现全部的内存屏障。
Store Barrier
sfence指令实现了Store Barrier，相当于StoreStore Barriers。
强制所有在sfence指令之前的store指令，都在该sfence指令执行之前被执行，发送缓存失效信号，并把store buffer中的数据刷出到CPU的L1 Cache中；所有在sfence指令之后的store指令，都在该sfence指令执行之后被执行。即，禁止对sfence指令前后store指令的重排序跨越sfence指令，使所有Store Barrier之前发生的内存更新都是可见的。
这里的“可见”，指修改值可见（内存可见性）且操作结果可见（禁用重排序）。下同。
内存屏障的标准中，讨论的是缓存与内存间的相干性，实际上，同样适用于寄存器与缓存、甚至寄存器与内存间等多级缓存之间。x86架构使用了MESI协议的一个变种，由协议保证三层缓存与内存间的相关性，则内存屏障只需要保证store buffer（可以认为是寄存器与L1 Cache间的一层缓存）与L1 Cache间的相干性。下同。
Load Barrier
lfence指令实现了Load Barrier，相当于LoadLoad Barriers。
强制所有在lfence指令之后的load指令，都在该lfence指令执行之后被执行，并且一直等到load buffer被该CPU读完才能执行之后的load指令（发现缓存失效后发起的刷入）。即，禁止对lfence指令前后load指令的重排序跨越lfence指令，配合Store Barrier，使所有Store Barrier之前发生的内存更新，对Load Barrier之后的load操作都是可见的。
Full Barrier
mfence指令实现了Full Barrier，相当于StoreLoad Barriers。
mfence指令综合了sfence指令与lfence指令的作用，强制所有在mfence指令之前的store/load指令，都在该mfence指令执行之前被执行；所有在mfence指令之后的store/load指令，都在该mfence指令执行之后被执行。即，禁止对mfence指令前后store/load指令的重排序跨越mfence指令，使所有Full Barrier之前发生的操作，对所有Full Barrier之后的操作都是可见的。
volatile如何解决内存可见性与处理器重排序问题
在编译器层面，仅将volatile作为标记使用，取消编译层面的缓存和重排序。
如果硬件架构本身已经保证了内存可见性（如单核处理器、一致性足够的内存模型等），那么volatile就是一个空标记，不会插入相关语义的内存屏障。
如果硬件架构本身不进行处理器重排序、有更强的重排序语义（能够分析多核间的数据依赖）、或在单核处理器上重排序，那么volatile就是一个空标记，不会插入相关语义的内存屏障。
如果不保证，仍以x86架构为例，JVM对volatile变量的处理如下：

• 在写volatile变量v之后，插入一个sfence。这样，sfence之前的所有store（包括写v）不会被重排序到sfence之后，sfence之后的所有store不会被重排序到sfence之前，禁用跨sfence的store重排序；且sfence之前修改的值都会被写回缓存，并标记其他CPU中的缓存失效。
• 在读volatile变量v之前，插入一个lfence。这样，lfence之后的load（包括读v）不会被重排序到lfence之前，lfence之前的load不会被重排序到lfence之后，禁用跨lfence的load重排序；且lfence之后，会首先刷新无效缓存，从而得到最新的修改值，与sfence配合保证内存可见性。

在另外一些平台上，JVM使用mfence代替sfence与lfence，实现更强的语义。
二者结合，共同实现了Happens-Before关系中的volatile变量规则。
JVM对内存屏障作出的其他封装
除volatile外，常见的JVM实现还基于内存屏障作了一些其他封装。借助于内存屏障，这些封装也得到了内存屏障在可见性与重排序上的语义。
在JVM中，借助通常指：将Happens-Before的程序顺序规则与其他某个顺序规则（通常是监视器锁规则、volatile变量规则）结合起来，从而对某个未被锁保护的变量的访问操作进行排序。
本文将借助的语义扩展到更大的范围，可以借助任何现有机制，以获得现有机制的某些属性。当然，并不是所有属性都能被借助，比如原子性。但基于前文对内存屏障的分析可知，可见性与重排序是可以被借助的。