Memory Barriers

时间：2014-10-24 18:55:58 阅读：191 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

这回该进入主题了。
上一文最后提到了 Memory Barriers ，即内存屏障，因为对一个 CPU 而言，a = 1; b = 1. 由于在中间加了内存屏障，在 X86 架构下，就是 mfence 指令，此时在上一文中运行时，情况就变成这样了，当 CPU0 发
出 "read invalidate" 消息后，就会开始执行 mfence 指令，该指令把 Store Buffer 中的项都标记一下，然后开始执行 b = 1,此时虽然 cache hint （cache 命中），但是由于 Store Buffer 中存在被标记的项，所以
b 的新值不会直接应用到 cache 中，它也会被记录到 Store Buffer 中，并会等待被 Store Buffer 中被标记的项被应用，CPU0 也会继续执行其它指令。
这样 CPU1 将会看到正确的 a 的值。看似完美的结局，其实还差那么一点点。
依然是上一文的小例子。 a 和 b 初始化都为 0。 a 在 CPU1 的 cache 中， b 在 CPU0 的 cache 中。
CPU 0 执行下面的代码：
a = 1;
mfence;
b = 1;
CPU1 执行下面的代码：
while (b != 1);
assert (a == 1);
断言一定能成功吗？让我们假设下面的情况发生：
1. CPU0 执行 a = 1, 但是发现 a 不在 cache 中，它就发出 "read invalidate" 消息，并且把 a 的值存在 store buffer 中；
2。CPU1 执行 b != 1 的比较，读取 b 的值，结果不在 cache 中，因为它不想改写，所以只发一个 "read" 消息出去；
3. CPU0 执行 mfence, 将 Store Buffer 中的项全部标记，然后执行 b = 1, 结果发现 Store Buffer 中有标记的项，所以就把 b 的值也记录在 Store Buffer，这些项是未标记的；
4. CPU1 收到 "read invalidate" 消息，它把这个消息存入 Invalidate Queue 中，并作出回应；
5. CPU0 收到回应，把 a 的值写入 Cache line, 把 b 的值也写入 cache line;
6. CPU0 收到 "read" 消息，并用出回应；
7. CPU1 收到回应，退出循环，此时读取 a 的值，由于 Invalidate 消息还在队列中，此时它会认为 Cache line 中 a 的值有效，但其实为旧值，所以断言错误。
很明显，兵败在了 Invalidate Queue 上，那可不可以向 Store Buffer 一样，弄一个屏障在读取 Cache line 时作一下检查呢？
如果你能想到这里，说明赶上了设计 CPU 的那些家伙，对，这里也可以用一个 mfence.
代码就成了这个样子
while (b != 1);
mfence;
assert(a == 1);
这样当 while (b != 1) 退出循环之后，遇到了 mfence, 它就必须停下来把 Message Queue 中的所以消息应用到 Cache line 中，此时就会发现 a 的 cache line 失效，当再进行读取 a 时，就会发消息给
CPU0 ，进而得到正确的结果。
其实 X86 提供细粒度的指令 lfence (读屏障)， sfence (写屏障)， mfence(读写屏障)。
lfence: 该指令会让 CPU 停下来，把 Message Queue 中存在的消息全部应用之后，才会执行后面的指令。这样读取就变得安全；
sfence: 该指令把标记 Store Buffer 中所以已存在的写入记录项，当下次再有写入操作时，即使命中也不会直接应用到 cache 中，而是记录到 Store Buffer 中；
mfence: 兼备以上两条指令的作用。
还有一些其它指令具备这样的作用，一般如带 lock 前缀的指令等。所以一般情况下内存屏障需要成对使用。
终于快要完了。

Memory Barriers

标签：memory barriers cache 一致性

原文地址：http://blog.csdn.net/henzox/article/details/40430197

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