C/C++ -- 编程中的内存屏障(Memory Barriers) (1)

明天就要transfor去做检索引擎了，今天闲下来了，更新一下博客哈。之前 @高V 同学对本人之前《代码技巧及优化(c/c++)》的文章第六条，有关cache命中和cpu流水优化比较感兴趣，也提出了一些他的看法，今天，我就细化的说一下某些编程的点 -- 内存屏障，以及内存屏障对代码的影响。

       OK，首先来说一下什么是"内存屏障"，可以先看一下官方式的说法 http://www.kernel.org/doc/Documentation/memory-barriers.txt，内存屏障其实就是因为编译器优化和CPU对寄存器和cache的使用，导致对内存的操作不能够及时的反映出来，比如cpu写入后，读出来的值可能是旧的内容。举个例子，对一个变量赋值然后读出它的值这一看似“原子”的操作，因为内存是没有ALU计算单元的，所以内存没有计算的能力。而CPU一般情况下是不直接读写内存的(emmintrin.h应用例外)，所以这一个过程可以看作(编译器优化后)：

       读取内存数据到cache -->  CPU读取cache/寄存器  -->  CPU的计算  -->  将结果写入cache/寄存器  -->  写回数据到内存

有人可能会问，为什么要这么麻烦，因为是编译器优化和CPU优化的结果，内存的时延比CPU高的多，是10ns级别，所以会通过读写寄存器或拆cache优化。这有可能导致一个问题，cache中的数据和内存实际的数据不一致，当多线程情况下，有可能会读"脏数据"，或者带来线程执行结果不一致。这就是所谓的“内存屏障”(但不仅限于此case)。

        网上有几篇文章提到的《独辟蹊径品内核》中的代码，本人写了一个近似版本如下：

include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// global variable
int flag=1;

void* wait(void *context){
    while (flag) {
        printf("continue\n");
        sleep(1);
    }
}

void wakeup(){
    flag=0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid = 0;
    pthread_create(&pid,NULL,wait,NULL);
    sleep(3);
    wakeup();

    printf("Done\n");
    getchar();
}

       按照书中的说法，flag是被其他线程意外修改的话。while循环会被编译器优化，编译器在发现wait函数里并没有修改flag，所以就会对flag进行cache，放在eax寄存器中，内存中的flag实体如果被修改，eax寄存器不会感知。自己试了一下，在没有优化和Gcc O2的情况下程序正常跳出了循环，可能是因为cpu或者linux新版内核或者gcc的新编译特性所致(如果哪位同学了解，可以留言哈)。之后会跟进这个问题，如果有发现，我会贴出来哈。

       其实，通过gcc -S看到汇编过程的中间汇编代码也可以看出写东西：

wait:
.LFB46:
    .cfi_startproc
    subq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    movl    flag(%rip), %edx
    testl   %edx, %edx
    je  .L4
    .p2align 4,,10
    .p2align 3
.L5:
    movl    $.LC0, %edi
    call    puts
    movl    $1, %edi
    call    sleep
<SPAN style="COLOR: #ff6600">    movl    flag(%rip), %eax
    testl   %eax, %eax
    jne .L5 </SPAN>
.L4:
    addq    $8, %rsp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE46:
    .size   wait, .-wait
    .p2align 4,,15
    .globl  wakeup
    .type   wakeup, @function

   

      (我不是汇编大牛，错了别炮轰哈)，其中标红的语句16~18行可以看出，循环只是检测eax寄存器是不是0(不太熟悉汇编的朋友可能会为什么test %eax,%eax，这只是一个优化因为与操作比cmp要快)，可以看出，确实是在不断的读寄存器而不是内存。

       到此，大家对“内存屏障”估计也有了一个初步的认识，内存屏障主要分三类：编译器优化(如上case) / 缓存优化 / CPU乱序执行(后面文章会提到)

       大家可能会问，那岂不这样会造成很多问题。其实不一定，据本人的知识范围，大部分内存屏障导致的问题都出现在内核态，用户态需要注意的方面不多。而且用户也有相应的解决方案，最简单的就是锁机制，还有volatile关键字，可以把可能出现的cache读脏的数据volatile int tmp = 0;这样每次操作都会从内存获取。

       之后的文章会深入一下“内存屏障”和CPU乱序的问题。缓存优化导致的内存屏障，基本在新的硬件上得到了比较好的解决，而且在用户态下基本感知不到。只要大家合适的用好多线程的锁机制和volatile的正确运用即可。