內存排序
內存排序是指CPU訪問主存時的順序。可以是編譯器在編譯時產生，也可以是CPU在運行時產生。反映了內存操作重排序，亂序執行，從而充分利用不同內存的總線帶寬。
現代處理器大都是亂序執行。因此需要內存屏障以確保多線程的同步。
編譯時內存排序
編譯時內存屏障
這些內存屏障阻止編譯器在編譯時亂序指令，但在運行時無效。
- GNU內聯匯編語句
asm volatile("" ::: "memory");
或者
__asm__ __volatile__ ("" ::: "memory");
- C11/C++11
atomic_signal_fence(memory_order_acq_rel);
阻止編譯器跨越它亂序讀/寫指令。[2]
- Intel_C++編譯器使用"full compiler fence"
__memory_barrier()
_ReadWriteBarrier()
運行時內存排序
- happens-before:按照程序的代碼序執行
- synchronized-with:不同線程間，對於同一個原子操作，需要同步關係，store（）操作一定要先於 load（），也就是說 對於一個原子變量x，先寫x，然後讀x是一個同步的操作
對稱多處理器(SMP)系統
對稱多處理器(SMP)系統有多個內存一致模型。
- 順序一致（Sequential consistency)：同一個線程的原子操作還是按照happens-before關係，但不同線程間的執行關係是任意
- 鬆弛一致（Relaxed consistency，允許某種類型的重排序）：如果某個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。程序計數器是一種典型的應用場景
- 弱一致（Weak consistency）：讀寫任意排序，受顯式的內存屏障限制。
| 類型 | 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 | 架構本身不規定 微架構/晶片的實現決定 |
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有更弱內存序。[8]
SPARC 內存序:
- 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)
硬件內存屏障
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)
編譯器對硬件內存屏障的支持
- GCC,[12] version 4.4.0 and later,[13] has
__sync_synchronize. - C11/C++11
atomic_thread_fence()支持一條命令 - Microsoft Visual C++[14] has
MemoryBarrier(). - Sun Studio Compiler Suite[15] has
__machine_r_barrier,__machine_w_barrierand__machine_rw_barrier.
參見
參考文獻
- ^ GCC compiler-gcc.h. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2011-07-24）.
- ^ 存档副本. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2020-08-10）.
- ^ ECC compiler-intel.h. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2011-07-24）.
- ^ Intel(R) C++ Compiler Intrinsics Reference （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ Memory Ordering in Modern Microprocessors by Paul McKenney (PDF). [2018-12-06]. （原始內容存檔 (PDF)於2020-10-31）.
- ^ Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Figure 5 on Page 16
- ^ Table 1. Summary of Memory Ordering （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, from "Memory Ordering in Modern Microprocessors, Part I"
- ^ SFENCE — Store Fence. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2019-06-13）.
- ^ MFENCE — Memory Fence. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2019-09-05）.
- ^ Data Memory Barrier, Data Synchronization Barrier, and Instruction Synchronization Barrier.. [2020-12-20]. （原始內容存檔於2020-06-19）.
- ^ Atomic Builtins. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2017-11-08）.
- ^ 存档副本. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2020-10-31）.
- ^ MemoryBarrier macro. [2018-12-06]. （原始內容存檔於2017-04-04）.
- ^ Handling Memory Ordering in Multithreaded Applications with Oracle Solaris Studio 12 Update 2: Part 2, Memory Barriers and Memory Fence [1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
進一步閱讀
- 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Intel 64 Architecture Memory Ordering White Paper （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Memory ordering in Modern Microprocessors part 1 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Memory ordering in Modern Microprocessors part 2 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- YouTube上的IA (Intel Architecture) Memory Ordering - Google Tech Talk