內存屏障是什么

　　內存屏障，也稱內存柵欄，內存柵障，屏障指令等，是一類同步屏障指令，是CPU或編譯器在對內存隨機訪問的操作中的一個同步點，使得此點之前的所有讀寫操作都執行后才可以開始執行此點之后的操作。

　　大多數現代計算機為了提高性能而采取亂序執行，這使得內存屏障成為必須。

　　語義上，內存屏障之前的所有寫操作都要寫入內存；內存屏障之后的讀操作都可以獲得同步屏障之前的寫操作的結果。因此，對于敏感的程序塊，寫操作之后、讀操作之前可以插入內存屏障。

　　內存屏障的分類：

　　1.編譯器引起的內存屏障

　　2.緩存引起的內存屏障

　　3.亂序執行引起的內存屏障

　　1、編譯器引起的內存屏障：

　　我們都知道，從寄存器里面取一個數要比從內存中取快的多，所以有時候編譯器為了編譯出優化度更高的程序，就會把一些常用變量放到寄存器中，下次使用該變量的時候就直接從寄存器中取，而不再訪問內存，這就出現了問題，當其他線程把內存中的值改變了怎么辦？也許你會想，編譯器怎么會那么笨，犯這種低級錯誤呢！是的，編譯器沒你想象的那么聰明！讓我們看下面的代碼：（代碼摘自《獨辟蹊徑品內核》）

　　int flag=0;

　　void wait（）{

　　while （ flag == 0 ）

　　sleep（1000）;

　　。。。。。。

　　}

　　void wakeup（）{

　　flag=1;

　　}

　　這段代碼表示一個線程在循環等待另一個線程修改flag。 Gcc等編譯器在編譯的時候發現，sleep（）不會修改flag的值，所以，為了提高效率，它就會把某個寄存器分配給flag，于是編譯后就生成了這樣的偽匯編代碼：

　　void wait（）{

　　movl flag， %eax;

　　while （ %eax == 0）

　　sleep（1000）;

　　}

　　這時，當wakeup函數修改了flag的值，wait函數還在傻乎乎的讀寄存器的值而不知道其實flag已經改變了，線程就會死循環下去。由此可見，編譯器的優化帶來了相反的效果！

　　但是，你又不能說是讓編譯器放棄這種優化，因為在很多場合下，這種優化帶來的性能是十分可觀的！那我們該怎么辦呢？有沒有什么辦法可以避免這種情況？答案必須是肯定的，我們可以使用關鍵字volatile來避免這種情況。

　　內存屏障是什么

　　volatile int flag = 0;

　　這樣，我們就能避免編譯器把某個寄存器分配給flag了。

　　好，上面所描述這些，就叫做“編譯器優化引起的內存屏障”，是不是懂了點什么？再回去看看概念？

　　2、緩存引起的內存屏障

　　好，既然寄存器能夠引起這樣的問題，那么緩存呢？我們都知道，CPU會把數據取到一個叫做cache的地方，然后下次取的時候直接訪問cache，寫入的時候，也先將值寫入cache。

　　那么，先讓我們考慮，在單核的情況下會不會出現問題呢？先想一下，單核情況下，除了CPU還會有什么會修改內存？對了，是外部設備的DMA！那么，DMA修改內存，會不會引起內存屏障的問題呢？答案是，在現在的體系結構中，不會。

　　當外部設備的DMA操作結束的時候，會有一種機制保證CPU知道他對應的緩存行已經失效了；而當CPU發動DMA操作時，在想外部設備發送啟動命令前，需要把對應cache中的內容寫回內存。在大多數RISC的架構中，這種機制是通過一寫個特殊指令來實現的。在X86上，采用一種叫做總線監測技術的方法來實現。就是CPU和外部設備訪問內存的時候都需要經過總線的仲裁，有一個專門的硬件模塊用于記錄cache中的內存區域，當外部設備對內存寫入的時候，就通過這個硬件來判斷下改內存區域是否在cache中，然后再進行相應的操作。

　　那么，什么時候才能產生cache引起的內存屏障呢？多CPU？是的，在多CPU的系統里面，每個CPU都有自己的cache，當同一個內存區域同時存在于兩個CPU的cache中時，CPU1改變了自己cache中的值，但是CPU2卻仍然在自己的cache中讀取那個舊值，這種結果是不是很杯具呢？因為沒有訪存操作，總線也是沒有辦法監測的，這時候怎么辦？

　　對阿，怎么辦呢？我們需要在CPU2讀取操作之前使自己的cache失效，x86下，很多指令能做到這點，如lock前綴的指令，cpuid， iret等。內核中使用了一些函數來完成這個功能：mb（）， rmb（）， wmb（）。用的也是以上那些指令，感興趣可以去看下內核代碼。

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