为啥需要内存屏障？

Posted 2023-02-14

【中文标题】为啥需要内存屏障？

【英文标题】：Why do I need a memory barrier?为什么需要内存屏障？

【发布时间】：2011-03-30 11:10:56

【问题描述】：

C# 4 in a Nutshell（强烈推荐顺便说一句）使用以下代码来演示 MemoryBarrier 的概念（假设 A 和 B 在不同的线程上运行）：

class Foo
  int _answer;
  bool complete;
  void A()
    _answer = 123;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 1
    _complete = true;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 2
  
  void B()
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 3;
    if(_complete)
      Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 4;
      Console.WriteLine(_answer);
    
  

他们提到障碍 1 和 4 阻止此示例写入 0，障碍 2 和 3 提供了新鲜度保证：他们确保如果 B 在 A 之后运行，则读取 _complete 将评估为 true。

我并没有真正明白。我想我理解为什么需要设置障碍 1 和 4：我们不希望对 _answer 的写入进行优化并放置在写入 _complete（障碍 1）之后，并且我们需要确保 _answer 没有被缓存（障碍 4）。我也认为我理解为什么需要设置屏障 3：如果 A 运行到刚刚写入 _complete = true 之后，B 仍需要刷新 _complete 以读取正确的值。

我不明白为什么我们需要屏障 2！我的一部分说这是因为线程 2（运行 B）可能已经运行到（但不包括）if(_complete)，所以我们需要确保 _complete 被刷新.

但是，我看不出这有什么帮助。 _complete 是否仍然有可能在 A 中设置为 true，但 B 方法会看到 _complete 的缓存（错误）版本？即，如果线程 2 运行方法 B 直到第一个 MemoryBarrier 之后，然后线程 1 运行方法 A 直到 _complete = true 但没有进一步，然后线程 1 恢复并测试 if(_complete) -- if 会不会导致 false？

【问题讨论】：

@Chaos：CLR via C# book (Richter) 有一个很好的解释 - IIRC 是'volatile' 意味着对 var 的所有访问都被视为 volatile 并在两个方向上强制执行完整的内存屏障。如果您只需要读取或写入屏障并且仅在特定访问中，那么这通常比必要的性能更高。

@Chaos：不是重点，但一个原因是 volatile 在编译器优化方面有其自己的怪癖，可能会导致死锁，请参阅 bluebytesoftware.com/blog/2009/02/24/…

@statichippo：说真的，如果你正在处理这种代码（不仅仅是学习它），请阅读 Richter 的书，我再怎么推荐也不为过。 amazon.com/CLR-via-Dev-Pro-Jeffrey-Richter/dp/0735627045

@James：volatile 关键字强制执行“半”屏障（加载-获取 + 存储-释放）——而不是完整的屏障。如果你引用里希特的话，那么他在这一点上是错误的。 Joe Duffy 的“Windows 中的并发编程”中有很好的解释。

我开始怀疑是否有人写过一段代码，需要没有错误的 MemoryBarriers。

【参考方案1】：

屏障#2 保证对_complete 的写入立即被提交。否则它可能会保持在排队状态，这意味着即使B 有效地使用了易失性读取，B 中的_complete 的读取也不会看到由A 引起的变化。

当然，这个例子并不能完全解决这个问题，因为A 在写入_complete 之后什么都不做，这意味着无论如何都会立即提交写入，因为线程提前终止了。

对于if 是否仍可以评估为false 的问题的答案是肯定的，这正是您所说的原因。但是，请注意作者对这一点的看法。

障碍 1 和 4 阻止了此示例 从写“0”。障碍 2 和 3 提供新鲜度保证：他们 确保如果 B 在 A 之后运行，则读取 _complete 将评估为 true。

我强调“如果 B 跑在 A 之后”。这当然可能是两个线程交错的情况。但是，作者忽略了这种情况，大概是为了说明Thread.MemoryBarrier 的工作原理更简单。

顺便说一句，我很难在我的机器上设计一个示例，其中障碍 #1 和 #2 会改变程序的行为。这是因为关于写入的内存模型在我的环境中很强大。也许，如果我有一台多处理器机器，正在使用 Mono，或者有一些其他不同的设置，我可以演示它。当然，很容易证明移除障碍 #3 和 #4 会产生影响。

【讨论】：

谢谢，这很有帮助。我想我并没有我想的那么无知。

我不明白 B 在 A 后面跑的情况下需要屏障 2 和 3。两者都是完整的围栏，所以他们中的任何一个都会单独做，不会吗？

@ohadsc：内存屏障仅影响单个线程的行为。考虑 A 和 B 可能在不同的 CPU 上运行。如果您删除了屏障 2，则可能不会提交写入。如果您删除了屏障 3，则可能不会刷新读取。 A中的障碍对B的执行没有影响，反之亦然。

我不明白内存屏障#4（有必要吗？）。 #3 已经确保我们“使”内存缓存“无效”并拥有最新的值。并且 _answer 保证首先具有价值。我错过了什么？

@Erti-ChrisEelmaa：屏障 #4 阻止 _answer 在 _complete 之前被读取，如果 A 和 B 交错，这可能导致程序打印 0。

【参考方案2】：

这个例子不清楚有两个原因：

要完全展示栅栏发生的情况太简单了。 Albahari 包括对非 x86 架构的要求。请参阅MSDN：“MemoryBarrier 仅在内存排序较弱的多处理器系统上需要（例如，使用多个 Intel Itanium 处理器 [Microsoft 不再支持] 的系统）。”。

如果你考虑以下几点，它会变得更清楚：

内存屏障（此处为全屏障 - .Net 不提供半屏障）可防止读/写指令越界（由于各种优化）。这保证了我们在栅栏之后的代码将在栅栏之前的代码之后执行。 “此序列化操作可确保在程序顺序中位于 MFENCE 指令之前的每个加载和存储指令都是全局可见的，而随后 MFENCE 指令之后的任何加载或存储指令都是全局可见的。”见here。 x86 CPU 具有强大的内存模型，并保证写入对所有线程/内核都是一致的（因此在 x86 上不需要屏障 #2 和 #3）。但是，我们不能保证读取和写入将保持编码顺序，因此需要屏障 #1 和 #4。 内存屏障效率低下，不需要使用（参见同一篇 MSDN 文章）。我个人使用 Interlocked 和 volatile（确保您知道如何正确使用它！！），它们工作高效且易于理解。

附言。 This article 很好地解释了 x86 的内部工作原理。