记忆栅栏是如何工作的？

Posted 2023-02-16

【中文标题】记忆栅栏是如何工作的？

【英文标题】：How do memory fences work?

【发布时间】：2011-11-08 22:56:55

【问题描述】：

我需要了解多核机器中的内存栅栏。说我有这个代码

核心 1

mov [_x], 1; mov r1, [_y]    

核心 2

mov [_y], 1; mov r2, [_x]

现在没有内存栅栏的意外结果是执行后 r1 和 r2 都可以为 0。在我看来，为了解决这个问题，我们应该在两个代码中都放置内存栅栏，因为只放置一个仍然不能解决问题。如下所示...

核心 1

mov [_x], 1; memory_fence; mov r1, [_y]  

核心 2

mov [_y], 1; memory_fence; mov r2, [_x]

我的理解正确还是我仍然遗漏了什么？假设架构是 x86。另外，谁能告诉我如何在 C++ 代码中设置内存栅栏？

【问题讨论】：

恐怕不容易一概而论；它非常依赖于处理器的内存模型和内存栅栏指令的功能。您是否有特别感兴趣的特定处理器？

【参考方案1】：

C++11 (ISO/IEC 14882:2011) 定义了一个多线程感知内存模型。 虽然我不知道目前有任何编译器实现了新的内存模型，C++ Concurrency in Action by Anthony Williams 很好地记录了它。你可以查看Chapter 5 - The C++ Memory Model and Operations on Atomic Types，他解释了宽松的操作和内存栅栏。此外，他还是 just::thread 库的作者，该库在我们获得编译器供应商对新标准的支持之前可以使用。 just::thread 是 boost::thread 库的基础。

【参考方案2】：

栅栏将它们栅栏的操作（加载和存储）序列化，也就是说，在栅栏执行之前不能开始其他操作，但栅栏要等到所有前面的操作都完成后才会执行。引用 intel 使这个含义更加精确（取自 MFENCE 指令，第 3-628 页，第 2A 卷，Intel 指令参考）：

这种序列化操作保证每次加载和存储 按程序顺序位于 MFENCE 指令之前的指令 在任何加载或存储指令之前变得全局可见 遵循 MFENCE 指令。1

加载指令在以下情况下被视为全局可见 确定要加载到其目标寄存器中的值。

在 C++ 中使用栅栏很棘手（C++11 可能在某处有栅栏语义，也许其他人有这方面的信息），因为它依赖于平台和编译器。对于使用 MSVC 或 ICC 的 x86，您可以使用 _mm_lfence、_mm_sfence 和 _mm_mfence 进行加载、存储和加载 + 存储隔离（请注意，其中一些是 SSE2 指令）。

注意：这是从 Intel 的角度出发，即：使用 x86（32 或 64 位）或 IA64 处理器

【讨论】：

引用的是哪个版本的手册？ （首页底部有年份和完整的6-8位数字版本）

@osgx：它从 2011 年 5 月开始，订单号 325383-039US，如果您想订购副本：P

如果我的内联汇编例程是用 volatile 关键字编写的，我还需要围栏吗？

@JayD：这取决于代码的作用，但volatile 只是防止从编译器端重新排序和缓存，CPU 没有任何迹象表明某些东西是/曾经是易失性的