内存屏障 & Memory barrier

Posted 2020-08-26 笨鸟居士的博客

Memory Barrier

http://www.wowotech.net/kernel_synchronization/memory-barrier.html

这里面讲了Memory Barrier

对于一个c程序员，我们的编写的代码能所见即所得吗？我们看到的c程序的逻辑是否就是最后CPU运行的结果呢？很遗憾，不是，我们的“所见”和最后的执行结果隔着：

1、编译器

2、CPU取指执行

编译器了解底层CPU的思维模式，因此，它可以在将c翻译成汇编的时候进行优化（例如内存访问指令的重新排序），让产出的汇编指令在CPU上运行的时候更快。然而，这种优化产出的结果未必符合程序员原始的逻辑，因此，作为程序员，作为c程序员，必须有能力了解编译器的行为，并在通过内嵌在c代码中的memory barrier来指导编译器的优化行为（这种memory barrier又叫做优化屏障，Optimization barrier），让编译器产出即高效，又逻辑正确的代码。

 

我们先看下面的一个例子：

preempt_disable（）

临界区

preempt_enable

 

我们知道所谓的preempt enable和disable其实就是对当前进程的struct thread_info中的preempt_count进行加一和减一的操作。具体的代码如下：

#define preempt_disable() \\ 
do { \\ 
    preempt_count_inc(); \\ 
    barrier(); \\ 
} while (0)

 

使用do...while(0)的好处可见：

http://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6080315.html

 

linux kernel中的定义和我们的想像一样，除了barrier这个优化屏障。barrier就象是c代码中的一个栅栏，将代码逻辑分成两段，barrier之前的代码和barrier之后的代码在经过编译器编译后顺序不能乱掉。也就是说，barrier之后的c代码对应的汇编，不能跑到barrier之前去，反之亦然。之所以这么做是因为在我们这个场景中，如果编译为了榨取CPU的performace而对汇编指令进行重排，那么临界区的代码就有可能位于preempt_count_inc之外，从而起不到保护作用。

 

barrier是否够呢？

对于multi-core的系统，只有当该task被调度到该CPU上执行的时候，该CPU才会访问该task的preempt count，因此对于preempt enable和disable而言，不存在多个CPU同时访问的场景。

但是，即便这样，如果CPU是乱序执行（out-of-order excution）的呢？其实，我们也不用担心，正如前面叙述的，preempt count这个memory实际上是不存在多个cpu同时访问的情况，因此，它实际上会本cpu的进程上下文和中断上下文访问。能终止当前thread执行preempt_disable的只有中断。为了方便描述，我们给代码编址，如下：

 

地址	该地址的汇编指令	CPU的执行顺序
a	preempt_disable（）	临界区指令1
a+4	临界区指令1	preempt_disable（）
a+8	临界区指令2	临界区指令2
a+12	preempt_enable	preempt_enable

当发生中断的时候，硬件会获取当前PC值，并精确的得到了发生指令的地址。有两种情况：

（1）在地址a发生中断。对于out-of-order的CPU，临界区指令1已经执行完毕，preempt_disable正在pipeline中等待执行。由于是在a地址发生中断，也就是preempt_disable地址上发生中断，对于硬件而言，它会保证a地址之前（包括a地址）的指令都被执行完毕，并且a地址之后的指令都没有执行。因此，在这种情况下，临界区指令1的执行结果被抛弃掉，因此，实际临界区指令不会先于preempt_disable执行

（2）在地址a＋4发生中断。这时候，虽然发生中断的那一刻的地址上的指令（临界区指令1）已经执行完毕了，但是硬件会保证地址a＋4之前的所有的指令都执行完毕，因此，实际上CPU会执行完preempt_disable，然后跳转的中断异常向量执行。

 

注意：如果CPU是乱序执行（out-of-order excution）的，barrier只是保证compiler输出的汇编指令的顺序是OK的，不能确保CPU执行时候的乱序。 

CPU会乱排，但是有的顺序不会调换，根据load和store型指令，不同处理器的策略不同，可以见：

Java内存模型（可以结合着看）

http://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6126551.html

 

 对这个问题的回答来自ARM architecture的内存访问模型：对于program order是A1-->A2的情况（A1和A2都是对Device或是Strongly-ordered的memory进行访问的指令），ARM保证A1也是先于A2执行的。因此，在这样的场景下，使用barrier足够了。 对于X86也是类似的，虽然它没有对IO space采样memory mapping的方式，但是，X86的所有操作IO端口的指令都是被顺执行的，不需要考虑memory access order。