内存屏障

Posted 2023-04-11

参考技术A 内存屏障（Memory barrier）

每个CPU都会有自己的缓存（有的甚至L1,L2,L3），缓存的目的就是为了提高性能，避免每次都要向内存取。但是这样的弊端也很明显：不能实时的和内存发生信息交换，分在不同CPU执行的不同线程对同一个变量的缓存值不同。

用volatile关键字修饰变量可以解决上述问题，那么volatile是如何做到这一点的呢？那就是内存屏障，内存屏障是硬件层的概念，不同的硬件平台实现内存屏障的手段并不是一样，java通过屏蔽这些差异，统一由jvm来生成内存屏障的指令。

硬件层的内存屏障分为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。

内存屏障有两个作用：

对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据；

对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。

java的内存屏障通常所谓的四种即LoadLoad,StoreStore,LoadStore,StoreLoad实际上也是上述两种的组合，完成一系列的屏障和数据同步功能。

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。

StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。 它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

  volatile的内存屏障策略非常严格保守，非常悲观且毫无安全感的心态：

由于内存屏障的作用，避免了volatile变量和其它指令重排序、线程之间实现了通信，使得volatile表现出了锁的特性。

对于final域，编译器和CPU会遵循两个排序规则：

总之上面规则的意思可以这样理解，必需保证一个对象的所有final域被写入完毕后才能引用和读取。这也是内存屏障的起的作用：

写final域：在编译器写final域完毕，构造体结束之前，会插入一个StoreStore屏障，保证前面的对final写入对其他线程/CPU可见，并阻止重排序。

读final域：在上述规则2中，两步操作不能重排序的机理就是在读final域前插入了LoadLoad屏障。

X86处理器中，由于CPU不会对写-写操作进行重排序，所以StoreStore屏障会被省略；而X86也不会对逻辑上有先后依赖关系的操作进行重排序，所以LoadLoad也会变省略。

Linux 内核 内存管理优化内存屏障 ④ ( 处理器内存屏障 | 八种处理器内存屏障 | 通用内存屏障 | 写内存屏障 | 读内存屏障 | 数据依赖屏障 | 强制性内存屏障 |SMP内存屏障 )

文章目录

• ​​一、处理器内存屏障​​
• ​​二、Linux 内核处理器内存屏障​​

一、处理器内存屏障

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" 处理器内存屏障 “ 针对 ” CPU " 之间的内存访问乱序 和 CPU 访问外设乱序 问题 ;

为了 提高 " 流水线 " 性能 , 新式处理器可以采用 " 超标量 体系结构 “ 和 ” 乱序执行 " 技术 , 可以在 一个时钟周期 中 并行执行多条指令 ;

但是 CPU 执行优化会导致 指令乱序执行 , 后面的指令先于前面的指令执行 , 导致 寄存器中的值冲突 ;

CPU 执行优化总结 :

• 顺序取指令 ,
• 乱序执行 ,
• 执行结果顺序提交 ;

二、Linux 内核处理器内存屏障

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Linux 内核中有 8 8 8 种 " 处理器内存屏障 " ;

内存屏障 有 4 4 4 种类型 ,

• ① 通用内存屏障
• ② 写内存屏障
• ③ 读内存屏障
• ④ 数据依赖屏障

每种类型的 内存屏障 又分为

• ① 强制性内存屏障
• ② SMP 内存屏障

两种类型 ;

因此将上面 8 8 8 种 " 处理器内存屏障 " 列成表格如下 :

内存屏障类型	强制性内存屏障	SMP 内存屏障
① 通用内存屏障	mb()	smp_mb()
② 写内存屏障	wmb()	smp_wmb()
③ 读内存屏障	rmb()	smp_rmb()
④ 数据依赖屏障	read_barrier_depends()	smp_read_barrier_depends()

如果使用 " 处理器内存屏障 " , 其隐含着同时使用 " 编译器优化屏障 " ; ( 数据依赖屏障 除外 ) ;