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內存排序

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內存排序是指CPU訪問主存時的順序。可以是編譯器編譯時產生,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

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編譯時內存屏障

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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");

阻止GCC編譯器跨越它亂序讀/寫指令。[1]

  • 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]

__memory_barrier()

指令。[3][4]

_ReadWriteBarrier()

運行時內存排序

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  • 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

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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。
內存排序在一些架構的情況[6][7]
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

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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

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參見

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參考文獻

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  1. ^ GCC compiler-gcc.h. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2011-07-24). 
  2. ^ 存档副本. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2020-08-10). 
  3. ^ ECC compiler-intel.h. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2011-07-24). 
  4. ^ 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.

  5. ^ Visual C++ Language Reference _ReadWriteBarrier頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  6. ^ Memory Ordering in Modern Microprocessors by Paul McKenney (PDF). [2018-12-06]. (原始內容存檔 (PDF)於2020-10-31). 
  7. ^ 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
  8. ^ 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"
  9. ^ SFENCE — Store Fence. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2019-06-13). 
  10. ^ MFENCE — Memory Fence. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2019-09-05). 
  11. ^ Data Memory Barrier, Data Synchronization Barrier, and Instruction Synchronization Barrier.. [2020-12-20]. (原始內容存檔於2020-06-19). 
  12. ^ Atomic Builtins. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2017-11-08). 
  13. ^ 存档副本. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2020-10-31). 
  14. ^ MemoryBarrier macro. [2018-12-06]. (原始內容存檔於2017-04-04). 
  15. ^ 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

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