Android | SMP Primer-内存一致性模型问题

Posted 2021-09-13 Justin-Yip

SMP Primer

• • • • Terms
      • Symmetric Multi-Processor （对称多处理器）
      • • 多核心CPU同步问题
        • 避免数据争用的方法

–This article is excerpted from Google’s official about Automotive , please indicate the source for reprinting–

Terms

• SMP : Symmetric Multi-Processor

Symmetric Multi-Processor （对称多处理器）

• SMP 特点
  • 两个或多个相同的 CPU 核心共同访问主内存

多核心CPU同步问题

• CPU缓冲
  单处理器（包括 x86 和 ARM）通常在顺序上是一致的。线程似乎以交错方式执行，因为操作系统内核会在线程之间切换。大多数 SMP系统（包括 x86 和 ARM）在顺序上都是不一致的。例如，硬件一般会在存储内容传输到内存途中对其进行缓冲，这样存储内容就不会立即传输到内存并对其他核心可见

• 编译器重排指令
  对指令进行重新排序以提高性能

• 危险的位操作
  正常情况下，并发访问数据结构中的不同字段不会引入数据争用。然而，这条规则有一个重要的例外情况：C 或 C++ 中连续序列的位字段会被视为单个“内存位置”。在确定是否存在数据争用时，访问这种序列中的任何位字段都会被视为访问所有位字段。

• 数据争用

  • 什么是数据争用？
    当至少两个线程同时访问相同的普通数据，并且其中至少一个线程对其进行修改时，就会发生数据争用。

避免数据争用的方法

1. 锁或互斥量

   • 互斥量（C++11 std::mutex 或 pthread_mutex_t）
   • Java 中的 synchronized 块
     可确保某些代码段不会与访问相同数据的其他代码段同时运行。我们将这些工具及其他类似工具统称为“锁”。在访问共享数据结构之前始终获取特定锁并在之后将其释放，可防止在访问数据结构时出现数据争用。这还可以确保更新和访问是原子性的，即无法在中间运行数据结构的其他更新。

2. Volatile / atomic变量
   能做的：
   只确保对单个变量的单独访问是原子性的（在 C++ 中，这通常会扩展到简单的读取-修改-写入操作，例如增量操作。Java 需要特殊的方法调用才能实现此类操作）
   不能做的
   不能直接用于阻止其他线程干扰较长的代码序列。

   volatile 不靠谱
   在 C 和 C++ 中，对 volatile 数据的访问可以通过访问非 volatile 数据进行重新排序，且没有原子性保证。因此，volatile 不能用于在可移植代码中的线程之间共享数据，即使在单处理器上也是如此。C volatile 通常不会阻止硬件对访问进行重新排序，因此其本身在多线程 SMP 环境中更不实用。这就是 C11 和 C++11 支持 atomic 对象的原因。您应该改为使用这两项。

   C 和 C++ volatile 声明是用途非常特殊的工具，可阻止编译器对 volatile 访问进行重新排序或将其移除。这对于访问硬件设备寄存器的代码、映射到多个位置的内存或与 setjmp 连接很有帮助

C/C++ atomic 变量或 Java volatile 变量可用于阻止在其他变量上出现数据争用的情况。如果声明 flag 具有类型 atomic、atomic_bool (C/C++) 或 volatile boolean (Java)，且初始值为 false，则以下代码段不存在数据争用的情况：

线程 1	线程 2
A = …	while (!flag) {}
flag = true	… = A

线程 2 需要等待 flag 设置完成，因此必须在线程 1 中为 A 赋值之后才能在线程 2 中访问 A，而不能并发进行。因此，A 上不存在数据争用的情况。对 flag 的争用不属于数据争用，因为 volatile/atomic 访问不属于“普通的内存访问”。

实现方法需要充分阻止或隐藏内存重新排序，使代码（如之前的石蕊测试）的行为与预期相符。这通常会使 volatile/atomic 内存访问的开销明显高于普通访问。

尽管上述示例不存在数据争用的情况，结合使用锁与 Java 中的 Object.wait() 或 C/C++ 中的条件变量通常可更好地解决问题，这样做就不会在无尽的等待中耗尽电池电量。

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SMP Primer for Android