技术向|内存屏障(Memory Barriers)--Runtime Time

Posted 2020-09-25 IT圈圈

在讨论CPU的内存屏障之前，让我们先了解一下缓存结构。

 

 

缓存(Cache)结构简介

 

现代计算机系统的缓存结构粗略如下：

                         

                     

                       

 

每个CPU都有自己的缓存。

 

缓存(Cache)分为又分多个级别。

 

一级缓存L1的访问非常接近一个cpu周期(cycles)，二级缓存L2的存取可能就要大概10个周期了。

 

缓存和内存交换数据的最小单元叫Cache Line。它是一个固定长度的块，可能是16到256字节(bytes).

 

比如一个32位的CPU有1M的缓存，每个Cache Line的大小是64bytes。那么这个缓存就可以有1M*1024*1024/64=16384条Cache Line(s) 。

 

 

 

CPU重排序

 

 

CPU以CacheLine为单位，通过Load，Store 和Write-combining等动作： 操作和重拍序缓存。

 

如果你对SourceControl熟悉：

 

那么请把内存想象成Source Control的一个仓库。

 

而每个CPU相当以一个程序员。

 

而缓存是每个程序员对仓库的一个本地副本。

 

以此假设:有张三和李四两个程序员，发生如下场景：

 

X，Y是是仓库里面的两个文件，最初他们的值都是0，张三和李四做了如下操作：

 

张三在他的副本中(相当于缓存)中更改了X文件的值为1：

 

Store X 1

Load r1 Y

 

李四在自己的副本中更改了Y文件的值为1：

 

Store Y 1

Load r2 Y

 

就会出现下面的情况，CPU0是张三，李四是CPU1：

 

 

结果是：张三的Y文件和李四的X文件都不是最新的。

 

那么在解决张三和李四的问题之前，请看官们耐心看完下面的四个屏障介绍，如果对四个屏障的Store和Load指令不理解，请移步我的前两篇文章：

 

CPU的指令分类 和 内存屏障(Memory Barriers)--Compile Time

 

 

 

 细说四种内存屏障

 

 

这四种屏障也是最接近真实CPU实现的屏障指令。

 

 

注意，所有的内存屏障都有防止重排序功能。

 

即禁止CPU把前面的Load/Store操作排序到屏障后面的Load/Store后面

 

以LoadLoad为例:它禁止前面的Load(s)操作排序到后面的Load(s)操作之后，其他几个内存屏障一样，不做赘述。

 

1. LoadLoad

    

   屏障之前的Load(s) 操作完才能进行屏障后面的Load(s)。

    

   这个很类似张三必须对前面的文件从仓库中进行pull下来，他才能进行后面的文件pull。

    

   这样就保证了张三在进行下面的操作之时，屏障前面的文件是最新的(不能一直最新，因为李四还可能在仍然在改文件)

    

2. StoreStore相当于先把屏障前面的文件push到仓库，才能进行后面文件的push操作。

    

   这样就防止了我上一篇文章的多线程问题，如果没看过请移步内存屏障(Memory Barriers)--Compile Time。

    

3. LoadStore

    

   LoadStore 张三必须把前面的pull下来，才能push文件到仓库。主要防止后面的文件改动依赖前面的值

    

4. StoreLoad

    

   StoreLoad 张三必须push文件到仓库以便于让李四可以看见(Visible)，然后才能从仓库获取文件。

 

 

 

 解决问题

 

 

我想你应该知道答案了：

 

张三:

 

Store X 1

StoreLoad Barrier

Load r1 Y

LoadLoad Barrier 或者 LoadStore Barrier

 

李四：

 

Store Y 1

StoreLoad Barrier

Load r2 Y

LoadLoad Barrier 或者 LoadStore Barrier

 

 

这样他们的更新保证对方看见，也及时查看对方的更新。

 

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