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Author ： WenHui ， WuHan University ， 2012-6-4
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內(nèi)存屏障 (Memory Barriers)
一方面， CPU 由于采用指令流水線和超流水線技術(shù)，可能導致CPU雖然順序取指令、但有可能會出現(xiàn)“亂序”執(zhí)行的情況，當然，對于” a++；b = f(a)；c = f”等存在依賴關(guān)系的指令，CPU則會在“b= f(a)”執(zhí)行階段之前被阻塞；另一方面， 編譯器 也有可能將依賴關(guān)系很近“人為地”拉開距離以防止阻塞情況的發(fā)生，從而導致編譯器亂序，如“a++ ；c = f；b = f(a)”。
一個CPU對指令順序提供如下保證：
(1) On any given CPU, dependent memory accesses will be issued in order, with respect to itself.如Q = P; D = *Q;將保證其順序執(zhí)行
(2) Overlapping loads and stores within a particular CPU will appear to be ordered within that CPU.重疊的Load和Store操作將保證順序執(zhí)行（目標地址相同的Load、Store），如：a = *X; *X = b;
(3) It _must_not_ be assumed that independent loads and stores will be issued in the order given.
(4) It _must_ be assumed that overlapping memory accesses may be merged or discarded.如*A = X; Y = *A; => STORE *A = X; Y = LOAD *A; / or STORE *A = Y = X ;
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由此可見，無關(guān)的內(nèi)存操作會被按隨機順序有效的得到執(zhí)行,但是在CPU與CPU交互時或CPU與IO設(shè)備交互時, 這可能會成為問題. 我們需要一些手段來干預編譯器和CPU, 使其限制指令順序。內(nèi)存屏障就是這樣的干預手段. 他們能保證處于內(nèi)存屏障兩邊的內(nèi)存操作滿足部分有序 .(譯注: 這里"部分有序"的意思是, 內(nèi)存屏障之前的操作都會先于屏障之后的操作, 但是如果幾個操作出現(xiàn)在屏障的同一邊, 則不保證它們的順序.)
(1) 寫(STORE)內(nèi)存屏障。在寫屏障之前的STORE操作將先于所有在寫屏障之后的STORE操作。
(2) 數(shù)據(jù)依賴屏障。兩條Load指令，第二條Load指令依賴于第一條Load指令的結(jié)果，則數(shù)據(jù)依賴屏障保障第二條指令的目標地址將被更新。
(3) 讀(LOAD)內(nèi)存屏障。讀屏障包含數(shù)據(jù)依賴屏障的功能, 并且保證所有出現(xiàn)在屏障之前的LOAD操作都將先于所有出現(xiàn)在屏障之后的LOAD操作被系統(tǒng)中的其他組件所感知.
(4) 通用內(nèi)存屏障. 通用內(nèi)存屏障保證所有出現(xiàn)在屏障之前的LOAD和STORE操作都將先于所有出現(xiàn)在屏障之后的LOAD和STORE操作被系統(tǒng)中的其他組件所感知.
(5) LOCK操作.它的作用相當于一個單向滲透屏障.它保證所有出現(xiàn)在LOCK之后的內(nèi)存操作都將在LOCK操作被系統(tǒng)中的其他組件所感知之后才能發(fā)生. 出現(xiàn)在LOCK之前的內(nèi)存操作可能在LOCK完成之后才發(fā)生.LOCK操作總是跟UNLOCK操作配對出現(xiàn).
(6) UNLOCK操作。它保證所有出現(xiàn)在UNLOCK之前的內(nèi)存操作都將在UNLOCK操作被系統(tǒng)中的其他組件所感知之前發(fā)生.
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LINUX對于x86而言，在為UP體系統(tǒng)架構(gòu)下，調(diào)用barrier()進行通用內(nèi)存屏障。在SMP體系架構(gòu)下，若為64位CPU或支持mfence、lfence、sfence指令的32位CPU，則smp_mb()、smp_rmb()、smp_smb()對應通用內(nèi)存屏障、寫屏障和讀屏障；而不支持mfence、lfence、sfence指令的32位CPU則smp_mb()、smp_rmb()、smp_smb()對應LOCK操作。源碼請參見《內(nèi)存屏障源碼分析》一節(jié)。
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內(nèi)存屏障源碼分析
/include/asm-generic/system.h：
053
#ifdef CONFIG_SMP
054
#define
smp_mb
()???????
mb
()
055
#define
smp_rmb
()??????
rmb
()
056
#define
smp_wmb
()??????
wmb
()
057
#else
058
#define
smp_mb
()???????
barrier
()
059
#define
smp_rmb
()??????
barrier
()
060
#define
smp_wmb
()??????
barrier
()
061
#endif
在x86 UP體系架構(gòu)中 ，smp_mb、smp_rmb、smp_wmb被翻譯成barrier：
012
#define
barrier
()
__asm__
__volatile__("": : :"memory")
__volatile告訴編譯器此條語句不進行任何優(yōu)化，"": : :"memory" 內(nèi)存單元已被修改、需要重新讀入。
?
在x86 SMP體系架構(gòu)中 ，smp_mb、smp_rmb、smp_wmb如下定義：
/arch/x86/include/asm/system.h：
352
/*
353
? * Force strict CPU ordering.
354
? * And yes, this is required on UP too when we're talking
355
? * to devices.
356
? */
357
#ifdef CONFIG_X86_32
358
/*
359
? * Some non-Intel clones support out of order store. wmb() ceases to be a
360
? * nop for these.
361
? */
362
#define
mb
()
alternative
("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence",
X86_FEATURE_XMM2
)
363
#define
rmb
()
alternative
("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence",
X86_FEATURE_XMM2
)
364
#define
wmb
()
alternative
("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence",
X86_FEATURE_XMM
)
365
#else
366
#define
mb
()??? asm volatile("mfence":::"memory")
367
#define
rmb
()?? asm volatile("lfence":::"memory")
368
#define
wmb
()?? asm volatile("sfence" ::: "memory")
369
#endif
362~364行針對x86的32位CPU，366~368行針對x86的64位CPU。
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在x86的64位CPU中，mb()宏實際為：
asm volatile("sfence" ::: "memory")。
volatile告訴編譯器嚴禁在此處匯編語句與其它語句重組優(yōu)化，memory強制編譯器假設(shè)RAM所有內(nèi)存單元均被匯編指令修改，"sfence" ::: 表示在此插入一條串行化匯編指令sfence。
mfence：串行化發(fā)生在mfence指令之前的讀寫操作
lfence：串行化發(fā)生在mfence指令之前的讀操作、但不影響寫操作
sfence：串行化發(fā)生在mfence指令之前的寫操作、但不影響讀操作
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在x86的32位CPU中，mb()宏實際為：
mb () alternative ("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2 )
由于x86的32位CPU有可能不提供mfence、lfence、sfence三條匯編指令的支持，故在不支持mfence的指令中使用："lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence"。lock表示將“addl $0,0(%%esp)”語句作為內(nèi)存屏障。
關(guān)于lock的實現(xiàn)：cpu上有一根pin #HLOCK連到北橋,lock前綴會在執(zhí)行這條指令前先去拉這根pin，持續(xù)到這個指令結(jié)束時放開#HLOCK pin，在這期間，北橋會屏蔽掉一切外設(shè)以及AGP的內(nèi)存操作。也就保證了這條指令的atomic。
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參考資料
《memroy-barries.txt》， /Documentation/memory-barriers.txt
《LINUX內(nèi)核內(nèi)存屏障》， http://blog.csdn.net/ljl1603/article/details/6793982
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