内存屏障和互斥锁

Posted 2023-03-17

【中文标题】内存屏障和互斥锁

【英文标题】：Memory Barriers and Mutexes

【发布时间】：2014-09-11 00:50:44

【问题描述】：

给定两个线程之间的通用消息传递模式：

Thread-A                  Thread-B
-------------------       ---------------------
LockMutex(M1)
Get memory for Msg
  from shared resource
UnlockMutex(M1)

set Msg attributes (content)
(note: is *NOT* performed
 within a critical section--
 once the Msg's contents
 have been set, no other
 writes to the Msg 
 is performed)

LockMutex(M1)
place pointer of Msg
  within Thread-B's
  message queue.
UnlockMutex(M1)

notify Thread-B
  of new Msg
-------------------       ---------------------
                          LockMutex(M1)
                          extract pointer to Msg from
                            queue.
                          UnlockMutex(M1)

                          read contents of Msg
                          (note: Thread-B only *READS*
                           the contents of Msg)

问：如果'M1'是一个通用互斥体，当使用C++或C来实现软件时，Thread-B 总是是否保证有正确的'Msg'内容？ 问：这种模式对于操作系统和/或处理器配置的某些组合是否不能正常工作？ （我主要关注 Linux、Windows、Mac OS X、VxWorks、Green Hills 和 Micrium 等操作系统）

我的理解（可能不正确）是通过锁定和/或解锁互斥锁“M1”实现的关键部分将导致执行内存屏障/栅栏指令，这将确保处理器/核心缓存的一致性；因此 Thread-B 保证读取 'Msg' 的正确内容。但是，我很难找到表明上述“一般模式”是正确的权威文档。

【问题讨论】：

内存模型是编程语言的一个属性（或者在较低级别，是 CPU 的一个特性）。这个问题只能在特定内存模型的上下文中回答，因此在目前的形式下是无法回答的。

我认为要回答您的问题，您必须知道 CPU 的类型，即“弱”与“强”内存模型，然后您的代码使用的是哪个运行时。尽管如果您使用的是 Java，JVM 在所有架构中都有一个非常具体的内存模型，这让我相信 CPU 类型对您的问题并不重要。

@Ken Mumme：您想要的权威文档是C or C++ standard（分别）。在C11 中，相关部分是5.1.2.3 和5.1.2.4（内存模型），以及7.17 和7.26（标准库组件）。在C++11 中，相关部分是1.9 和1.10（内存模型），以及29 和30（标准库组件）。总的来说，这个问题太宽泛了； C 和 C++ 是不同的语言，您问题中的伪代码可以有多种解释方式。

【参考方案1】：

在一般意义上，描述的“消息传递模式”对于所有平台不是“线程安全的”；但是，对于某些平台（例如单处理器单核，或某些具有强缓存一致性的多核处理器，例如 Intel/AMD x86-64），上述模式可以工作......但应该避免，因为不符合 C++11 内存模型。

【讨论】：

Will work + not conforming 对我来说没有意义。

即，它不是 platform independent 模式（由于不符合 C++11 内存模型）；但是，如果处理器使用强大的缓存一致性协议，它将在某些平台上运行（例如，大多数基于 Intel/AMD x86-64 的系统）。

我没有很好地表达我的观点。关键是不符合标准的 c++ 代码永远不会可靠地工作。在上面的示例中，编译器可以生成代码，将消息数据有效地复制到寄存器中以提高性能，并且更新只更新内存，而不是寄存器，因此诸如强缓存一致性之类的特定于平台的保证无济于事。只有编译器扩展才能使不符合标准的 c++ 代码正常工作，而不是硬件保证。