J.U.C JMM. pipeline.指令重排序，happen-before

pipeline:

      现在的CPU一般采用流水线方式来执行指令。一个指令执行周期被分成：取值，译码，执行，访存，写会，更新PC若干阶段。然后，多条指令可以同时存在于流水线中，同时被执行，来提高系统的吞吐量。

      流水线并不是串行的，并不会因为一个耗时很长的执行在"执行"阶段呆很长时间，而导致后续的指令被卡在"执行"阶段之前上。相反，流水线是并行的，多条指令可以同时处于同一阶段，只要CPU内部的处理部件未被占满既可。比如说CPU有一个加法器和一个除法器，那么一条加法指令和一条除法指令就可能同时处于"执行"阶段，而两条加法指令在"执行"阶段就只能被串行工作。

      然而，这样一来，乱序就可能产生了。比如一条加法指令本来出现在一条除法指令的后面，但是由于除法的执行时间很长，在他执行完之前，加法可能先执行完了，再比如两条访存指令，可能由于第二胎哦指令命中cache而导致他先于第一条指令完成。

     一般情况下，指令乱序并不是CPU在执行指令之前刻意去调整顺序。CPU总是顺序的去内存里面取指令，然后将其顺序的方法指令流水线。但是指令执行时的各种条件，指令与指令之间的相互影响，可能导致顺序放入流水线的指令，最终乱序执行完成，这就是所谓的"顺序流入，乱序流出"。

    指令流水线除了在资源不足的情况下会卡主之外(如前所述的一个加法器应付两条加法指令的情况)，指令之间的相关性也是导致流水线阻塞的重要原因。

    CPU的乱序执行并不是任意的乱序，而是以保障程序上下文因果关系为前提的。有了这个前提，CPU执行的正确性才有有保证:

a++; b = f(a); c--;

     由于b = f(a)这条指令依赖于前一条指令a++的执行结果，所以b = f(a)将在"执行"阶段之前被阻塞，知道a++的执行结果被生成出来；而c--跟前面没有依赖，他可以在b = f(a)之前就能执行完。像这样有依赖关系的指令如果挨着很近，后一条指令必定会因为等待前一条执行的结果，而在流水线中阻塞很久，占用流水线的资源。

     而编译器的乱序，作为编译优化的一种手段，则试图通过指令重排序将这样的两条指令拉开距离，以至于后一条指令进入CPU的时候，前一条指令结果已经可以得到了，那么也就不需要阻塞等待了，比如指令重拍为：

a++ ; c-- ; b = f(a);

     相对于CPU的乱序，编译器的乱序才是真正的对指令顺序做了调整。但是编译器的乱序也必须保证程序上下文的因果关系不发生改变。

 

乱序的后果：

     乱序执行，有了"保证上下文英国关系"这一前提，一般情况下不会有什么问题的，因此，在绝大多数情况下，我们写程序都不去考虑乱序所带来的影响。但是，有些程序逻辑，单纯从上下文是看不出他们的因果关系的。比如：

*addr = 5 ; val = *data;

     从表面上看，addr和data是没有什么联系的，完全可以放心的去乱序执行，但是如果这是在xx设备驱动程序中，这两个变量可可能对应到设备的地址端口和数据端口。并且，这个设备规定了，当你需要读写设备上某个寄存器时，先将寄存器编号设置到地址端口，然后就可以通过对数据端口的读写而操作对应的寄存器，那么这么一来，对前面那两条指令的乱序执行就可能造成错误。对于这样的逻辑，我们姑且将其称作隐式的因果关系；而指令与指令之间直接的输入输出依赖，称之为显式的因果关系。CPU或者编译器的乱序是以保证显式的因果关系不变为前提的，但是他们都无法识别隐式的因果关系。再举个例子：

object -> data = xxx;  object -> ready = true;

    当设置了data之后，记下标志，然后在另一个线程中可能执行：

if (object -> ready) do_something(object -> data);

    如果考虑到乱序，如果标志被赋值先于data被赋值， 那么结果就可能杯具了，因为从字面上看，前面的那两条指令其实并不存在显式的因果关系，乱序是有可能发生的。

    总的来说，如果程序有显式的因果关系的话，乱序一定会尊重这些关系；否则，乱序就可能打破程序原有的逻辑。这时候，就需要使用屏障来抑制乱序，以维持程序所期望的逻辑。

 

Memory barrier:

    内存屏障主要有：读屏障，写屏障，通用屏障，优化屏障；

    以读屏障为例，他用于保证读操作有序。屏障之前的读操作一定会先于屏障之后的读操作完成，写操作不受影响，同属于屏障的某一侧的读操作中也不受影响。类似的，写屏障用于限制写操作。而通用屏障则对读写操作都有作用。而优化屏障则用于限制编译器的指令重排，不区分读写。前三种屏障都隐含了优化屏障的功能，比如：

tmp = ttt ;  *addr = 5 ; memoryBarrier(); var = *data;

    有了内存屏障就可以确保先设置地址端口，再读取数据端口。而至于设置地址读卡和tmp的赋值孰先孰后，屏障则不做干预。

    有了内存屏障，就可以在隐式的因果关系的场景中，保证因果关系逻辑正确。

 

多处理器情况：

      前面只是考虑了单处理器指令乱序的问题，而在多处理器下，除了每个处理器要独自面对上面讨论的问题之外，当处理器之前存在交互的时候，同样要面对乱序的问题。

      一个处理器(记为a)对内存的写操作证并不是直接就在内存上生效的，而是要先经过自身的cache。另一个处理器(记为b)如果要独缺相应内存上的新值，先得等a的cache同步到内存，然后b的cache再从内存同步这个新值。而如果需要同步的值不止一个的话，就会存在顺序问题。再举前面的一个例子：

 <cpu - a>   *************************************** <cpu - b>
 object -> data = xxx;            
 write-memory-barrier();                          if (object -> ready)
 object -> ready = true;                          do_something(object -> data);

      前面也说过，必须要使用屏障来保证CPU-a不发生乱序，从而使得ready标记赋值时候，data一定是有效的。但是在多处理器情况下，这还不够。data和ready标记的新值可能以相反的顺序更新到CPU-b上！

      其实这种情况在大多数体系结构下并不会发生，不过内核文档memory-barriers举了一个alpha机器的例子。alpha机器可能使用分列的cache结构，每个cache列可以并行工作，以提高效率。而每个cache列上面的缓存的数据是互斥的(如果不互斥就还得解决cache列之间的一致性)，于是就可能引发cache更新不同步的问题。

      假设cahce被分为两列，而CPU-a和CPU-b上的data和ready都分别被缓存到不同的cache列中。首先是CPU-a更新了cache之后，会发送消息让其他CPU的cache来同步新的值。但是现在假设了有两个cache列，可能由于缓存data的cache列比较繁忙而使得data的更新消息晚于ready发出，那么程序逻辑就没法保证了。不过在SMP下的内存屏障在解决指令乱序的问题在外，也将cache更新消息乱序的问题解决了。只要使用了屏障，就能保证屏障之前的cache更新消息先于屏障支护的消息被发出。

      然后就是CPU-b的问题。在使用了屏障之后，CPU-a已经保证data的更新消息先发出了，那么CPU-b也会先收到data的更新消息。不过同样，CPU-b上缓存data的cahce列可能比较繁忙，导致对data的更新晚于对ready的更新，这里同样会出问题。

      所以，在这种情况下，CPU-b也得使用屏障，CPU-a使用写屏障，保证两个写操作不乱序，并且相应的两个cache列的更新消息不乱序；CPU-b上则需要使用读屏障，保证对两个cache单元的同步不乱序，可见，SMP下的内存屏障一定是需要配对使用的。

 <cpu - a> ************************************************* <cpu - b>
 object -> data = xxx;                                      if (object -> ready)
 write-memory-barrier();                                    read-memory-barrier()；
 object -> ready = true;                                     do_something(object -> data);

 

 原文：http://blog.csdn.net/jiang_bing/article/details/8629425