内存排序
内存排序是指CPU访问主存时的顺序。可以是编译器在编译时产生，也可以是CPU在运行时产生。反映了内存操作重排序，乱序执行，从而充分利用不同内存的总线带宽。
现代处理器大都是乱序执行。因此需要内存屏障以确保多线程的同步。
编译时内存排序
编译时内存屏障
这些内存屏障阻止编译器在编译时乱序指令，但在运行时无效。
- GNU内联汇编语句
asm volatile("" ::: "memory");
或者
__asm__ __volatile__ ("" ::: "memory");
- C11/C++11
atomic_signal_fence(memory_order_acq_rel);
阻止编译器跨越它乱序读/写指令。[2]
- Intel_C++编译器使用"full compiler fence"
__memory_barrier()
_ReadWriteBarrier()
运行时内存排序
- happens-before:按照程序的代码序执行
- synchronized-with:不同线程间，对于同一个原子操作，需要同步关系，store（）操作一定要先于 load（），也就是说 对于一个原子变量x，先写x，然后读x是一个同步的操作
对称多处理器(SMP)系统
对称多处理器(SMP)系统有多个内存一致模型。
- 顺序一致（Sequential consistency)：同一个线程的原子操作还是按照happens-before关系，但不同线程间的执行关系是任意
- 松弛一致（Relaxed consistency，允许某种类型的重排序）：如果某个操作只要求是原子操作，除此之外，不需要其它同步的保障，就可以使用 Relaxed ordering。程序计数器是一种典型的应用场景
- 弱一致（Weak consistency）：读写任意排序，受显式的内存屏障限制。
| 类型 | Alpha | ARMv7 | MIPS | LoongISA | PA-RISC | POWER | SPARC RMO | SPARC PSO | SPARC TSO | x86 | x86 oostore | AMD64 | IA-64 | z/Architecture |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Loads reordered after loads | Y | Y | 架构本身不规定 微架构/芯片的实现决定 |
Y | Y | Y | Y | Y | Y | |||||
| Loads reordered after stores | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | ||||||
| Stores reordered after stores | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | |||||
| Stores reordered after loads | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | |
| Atomic reordered with loads | Y | Y | Y | Y | Y | |||||||||
| Atomic reordered with stores | Y | Y | Y | Y | Y | Y | ||||||||
| Dependent loads reordered | Y | |||||||||||||
| Incoherent instruction cache pipeline | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y | Y |
某些老的x86有更弱内存序。[8]
SPARC 内存序:
- SPARC TSO = total store order (default)
- SPARC RMO = relaxed-memory order (not supported on recent CPUs)
- SPARC PSO = partial store order (not supported on recent CPUs)
硬件内存屏障
lfence (asm), void _mm_lfence(void) sfence (asm), void _mm_sfence(void)[9] mfence (asm), void _mm_mfence(void)[10]
sync (asm)
sync (asm)
mf (asm)
dcs (asm)
dmb (asm) dsb (asm) isb (asm)
编译器对硬件内存屏障的支持
- GCC,[12] version 4.4.0 and later,[13] has
__sync_synchronize. - C11/C++11
atomic_thread_fence()支持一条命令 - Microsoft Visual C++[14] has
MemoryBarrier(). - Sun Studio Compiler Suite[15] has
__machine_r_barrier,__machine_w_barrierand__machine_rw_barrier.
参见
参考文献
- ^ GCC compiler-gcc.h. [2018-12-06]. （原始内容存档于2011-07-24）.
- ^ 存档副本. [2018-12-06]. （原始内容存档于2020-08-10）.
- ^ ECC compiler-intel.h. [2018-12-06]. （原始内容存档于2011-07-24）.
- ^ Intel(R) C++ Compiler Intrinsics Reference （页面存档备份，存于互联网档案馆）
Creates a barrier across which the compiler will not schedule any data access instruction. The compiler may allocate local data in registers across a memory barrier, but not global data.
- ^ Visual C++ Language Reference _ReadWriteBarrier （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Memory Ordering in Modern Microprocessors by Paul McKenney (PDF). [2018-12-06]. （原始内容存档 (PDF)于2020-10-31）.
- ^ Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Figure 5 on Page 16
- ^ Table 1. Summary of Memory Ordering （页面存档备份，存于互联网档案馆）, from "Memory Ordering in Modern Microprocessors, Part I"
- ^ SFENCE — Store Fence. [2018-12-06]. （原始内容存档于2019-06-13）.
- ^ MFENCE — Memory Fence. [2018-12-06]. （原始内容存档于2019-09-05）.
- ^ Data Memory Barrier, Data Synchronization Barrier, and Instruction Synchronization Barrier.. [2020-12-20]. （原始内容存档于2020-06-19）.
- ^ Atomic Builtins. [2018-12-06]. （原始内容存档于2017-11-08）.
- ^ 存档副本. [2018-12-06]. （原始内容存档于2020-10-31）.
- ^ MemoryBarrier macro. [2018-12-06]. （原始内容存档于2017-04-04）.
- ^ Handling Memory Ordering in Multithreaded Applications with Oracle Solaris Studio 12 Update 2: Part 2, Memory Barriers and Memory Fence [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）
进一步阅读
- Computer Architecture — A quantitative approach. 4th edition. J Hennessy, D Patterson, 2007. Chapter 4.6
- Sarita V. Adve, Kourosh Gharachorloo, Shared Memory Consistency Models: A Tutorial （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Intel 64 Architecture Memory Ordering White Paper （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Memory ordering in Modern Microprocessors part 1 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Memory ordering in Modern Microprocessors part 2 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- YouTube上的IA (Intel Architecture) Memory Ordering - Google Tech Talk