顺序和屏障 收藏

   当处理多处理器之间或硬件设备之间的同步问题时，有时需要在程序代码中以指定的顺序发出读内存（读入）和写内存（存储）指令。在和硬件交互时，时常需要确保一个给定的读操作发生在其他读或写操作之前。另外，在多处理上，可能需要按写数据时的顺序读数据（通常确保后来以同样的顺序进行读取）。但是编译器和处理器为了提高效率，可能对读和写重新排序。   

所有可能重新排序和写的处理器提供了及其指令来确保顺序要求。同样也可以指示编译器不要对给定的点周围的指令进行重新排序，这些确保顺序的指令称为屏障（barrier）。

编译器会在编译时按代码的顺序编译，这种顺序是静态的。但是处理器会重新动态排序，因为处理器在执行指令期间，会在取值和分派时，把表面上看似无关的指令按自认为最好的顺序排列。这种重排序的发生是因为现代处理器为了优化其传送管道，打乱了分派和提交指令的顺序。

  不管是编译器还是处理器都不知道其他上下文中的相关代码。偶然情况下，有必要让写操作被其他代码识别，也让我们所期望的指定顺序之外的代码识别。这种情况常常发生在硬件设备上，但那是在多处理器机器上也很常见。

 

rmb()方法提供了一个“读”内存屏障，它确保跨越rmb()的载入动作不会发生重排序。在rmb()之前的载入操作不会被重新排在该调用之后；在rmb()之后的载入操作不会被重新排列在该调用之前。

1. 在<System.h(include\asm-i386)>中
2. #define rmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2) 

 

1. 在<Alternative.h(include\asm-i386)>中
2. #define alternative(oldinstr, newinstr, feature)    \
3.     asm volatile ("661:\n\t" oldinstr "\n662:\n"             \
4.               ".section .altinstructions,\"a\"\n"            \
5.               "  .align 8\n"                       \
6.               "  .quad 661b\n"                      \
7.               "  .quad 663f\n"         \
8.               "  .byte �\n"                 \
9.               "  .byte 662b-661b\n"             \
10.               "  .byte 664f-663f\n"        \
11.               ".previous\n"                 \
12.               ".section .altinstr_replacement,\"ax\"\n"     \
13.               "663:\n\t" newinstr "\n664:\n"    \
14.               ".previous" :: "i" (feature) : "memory")

wmb()方法提供了一个“写”内存屏障。该函数与rmb()类型，区别仅仅是它是针对存储而非载入。它确保跨越屏障的存储不发生重新排序。如果一个体系结构不执行打乱存储（比如Intel x86芯片就不会），那么wmb()就什么也补做。

 

 

1. #ifdef CONFIG_X86_OOSTORE
2. #define wmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM)
3. #else
4. #define wmb()   __asm__ __volatile__ ("": : :"memory")
5. #endif

rmb()和wmb()方法相当于指令，它们告诉处理器在继续执行前提交所有尚未处理的载入或存储指令。

 

mb()方法既提供了读屏障也提供了写屏障。载入和存储动作都不会跨越屏障重新排序。这是因为一条单独的指令(通常和rmb()使用同一个指令)既可以提供载入屏障，也可以提供存储屏障。

 

1. #define mb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2)

read_barrier_depends()是rmb()的变种，它提供一个读屏障，但是仅仅是针对后续读操作锁依赖的那些载入。因为屏障后的读操作依赖于屏障前的读操作，因此，该屏障确保屏障前的读操作在屏障后的读操作之前完成。基本上说，该函数设置一个读屏障，如rmb()，但是只真对特定的读---也就是那些相互依赖的读操作。

 

1. #define read_barrier_depends()  do { } while(0)

第2个<programlisting>主要是为了说明read_barrier_depends()用于数据依赖的读操作，由于y和x不是数据依赖的，因为没有成功设置读屏障，导致x=a在y=b之前运行，于是a可能还是0的时候就被赋给x了。此时，对于没有数据依赖的读操作应该使用rmb()来提供读屏障。

宏smp_rmb()、smp_wbm()、smp_mb()和smp_read_barrier_depends()提供了一个有用的优化。在SMP 内核中，它们被定义成常用的内存屏障，而在单处理器内核中，它们被定义成编译器的屏障。

 

1. #ifdef CONFIG_SMP    //在SMP 内核中，它们被定义成常用的内存屏障
2. #define smp_mb()    mb()
3. #define smp_rmb()   rmb()
4. #define smp_wmb()   wmb()
5. #define smp_read_barrier_depends()  read_barrier_depends()
6. #define set_mb(var, value) do { (void) xchg(&var, value); } while (0)
7. #else    //在单处理器内核中，它们被定义成编译器的屏障
8. #define smp_mb()    barrier()
9. #define smp_rmb()   barrier()
10. #define smp_wmb()   barrier()
11. #define smp_read_barrier_depends()  do { } while(0)
12. #define set_mb(var, value) do { var = value; barrier(); } while (0)
13. #endif

barrier()方法可以防止编译器跨越屏障对载入或存储操作进行优化。编译器不会重新组织存储或载入操作而防止改变C代码的效果和现有数据的依赖关系。但是，它不知道当前上下文之外会发生什么事。前面讨论的内存屏障可以完成编译器屏障的功能，但是后者比前者轻量得多。实际上，编译器屏障机会是空闲的，因为它只是防止编译器可能重排指令。

1. 在<Compiler.h(include\linux)>中
2. #ifndef barrier
3. # define barrier() __memory_barrier()
4. #endif

 

为最坏的情况（即排序能力最弱的处理器）使用恰当的内存屏蔽，这样代码才能在编译时执行针对体系结构的优化。