内存屏障 - LINUX KERNEL MEMORY BARRIERS 上与下

内存屏障（Memory Barrier）是在计算机体系结构中使用的一种同步机制，用于确保在多线程或多核处理器环境中，对共享内存的操作按照预期顺序进行。它们通过强制在特定点执行一些指令来规定内存访问的顺序，并防止内存乱序执行带来的不一致性问题。

内存屏障分为两种类型：读屏障（Read Barrier）和写屏障（Write Barrier）。

读屏障用于确保在读操作之前，所有该读操作之前的写操作已经完成。它可以防止指令乱序执行，保证读取到的数据是最新的。

写屏障用于确保在写操作之前，所有该写操作之前的写操作和读操作都已经完成。它可以防止指令乱序执行，保证写入的数据不会被其他操作覆盖或丢失。

内存屏障的使用能够解决多线程或多核处理器中的原子性、可见性和有序性等问题，确保程序的正确性和一致性。在编写并发程序时，合理地使用内存屏障可以提高程序的性能和正确性。

void foo(void)
{a = 1;smp_mb();b = 1;
}void bar(void)
{while (b == 0) continue;assert(a == 1);
}

https://www.kernel.org/doc/Documentation/memory-barriers.txthttps://www.kernel.org/doc/Documentation/memory-barriers.txt

Consider the following abstract model of the system::                ::                ::                :+-------+   :   +--------+   :   +-------+|       |   :   |        |   :   |       ||       |   :   |        |   :   |       || CPU 1 |<----->| Memory |<----->| CPU 2 ||       |   :   |        |   :   |       ||       |   :   |        |   :   |       |+-------+   :   +--------+   :   +-------+^       :       ^        :       ^|       :       |        :       ||       :       |        :       ||       :       v        :       ||       :   +--------+   :       ||       :   |        |   :       ||       :   |        |   :       |+---------->| Device |<----------+:   |        |   ::   |        |   ::   +--------+   ::                :

(memory barriers logically act on the dotted line in the following diagram):<--- CPU --->         :       <----------- Memory ----------->:+--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+|        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------+|  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |    |        ||  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        ||        |    | Queue  |  :   |        |    |           |--->| Memory ||        |    |        |  :   |        |    |           |    |        |+--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |        |:                 | Cache     |    +--------+:                 | Coherency |:                 | Mechanism |    +--------++--------+    +--------+  :   +--------+    |           |    |	      ||        |    |        |  :   |        |    |           |    |        ||  CPU   |    | Memory |  :   | CPU    |    |           |--->| Device ||  Core  |--->| Access |----->| Cache  |<-->|           |    |        ||        |    | Queue  |  :   |        |    |           |    |        ||        |    |        |  :   |        |    |           |    +--------++--------+    +--------+  :   +--------+    +-----------+::

Cache 一致性问题出现的原因是在一个多处理器系统中，每个处理器核心都有独占的Cache 系统（比如一级 Cache 和二级 Cache），而导致一个内存块在系统中同时可能有多个备份，从而引起访问时的不一致性问题。Cache 一致性问题的根源是因为存在多个处理器独占的 Cache，而不是多个处理器。它的限制条件比较多：多核，独占 Cache，Cache 写策略。当其中任一个条件不满足时便不存在cache一致性问题。

read: 包含要读取的CACHE-LINE的物理地址
read response: 包含READ请求的数据，要么由内存满足要么由cache满足
invalidate: 包含要invalidate的cache-line的物理地址，所有其他cache必须移除相应的数据项
invalidate ack: 回复消息
read invalidate: 包含要读取的cache-line的物理地址，同时使其他cache移除该数据。需要read response和invalidate ack消息
writeback：包含要写回的数据和地址，该状态将处于modified状态的lines写回内存，为其他数据腾出空间

void foo(void)
{a = 1;smp_mb();b = 1;
}

smp_mb()指令可以迫使CPU在进行后续store操作前刷新store-buffer。以上面的程序为例，增加memory barrier之后，就可以保证在执行b=1的时候CPU0-store-buffer中的a已经刷新到cache中了，此时CPU1-cache中的a 必然已经标记为invalid。对于CPU1中执行的代码，则可以保证当b==0为假时，a已经不在CPU1-cache中，从而必须从CPU0- cache传递，得到新值“1”