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计算机学习微信公众号（jsj_xx） 1 前言 内存屏障是搞软件的需要面对的一个涉及硬件cpu的问题，很多人困惑不解。本文是我们对linux内核内存屏障的理解，参考linux内核（4.0版本）的Documentation/memory-barriers.txt。 2 内容 主要内容如下：
好，让我们开始遐想（本文需要借助想象力，否则。。。）吧！ 2.1 内存访问的抽象模型 如下图，多个cpu共同访问一个内存的场景（模型）：
我们的理解是：只要能保证程序逻辑正确执行，cpu和complier（为了提升性能）怎么个乱序（优化）都行！ 举例说明，如下：
cpu1有2条指令，cpu2也有2条指令，共4条指令，总共有24种执行顺序（其实就是4的阶乘），够多了吧！（更可怕的是，这还是建立在一个重要假设之下的：假设cpu上执行顺序和其它cpu感知的是一样的！否则。。。） 就这个例子而言，我们只关注x和y组成的可能结果，不外乎4种（其实就是2*2）：
再举个例子：
只关注Q和D组成的结果的话，会出现“Q == 3”的结果么？cpu2这里有数据依赖性（或者说程序逻辑性）：必须先取Q，再取*Q！这样看，cpu2肯定是先执行“Q = P”，所以一定不会出现“Q == 3”的结果了。 再看一个例子：
A是地址端口寄存器，D是数据端口寄存器。很明显，此时必须先放地址，再读数据，我们肯定认为只能这一种顺序，但是谁也保证不了！ 至此，我们停顿下来，做个分析。貌似很乱了，软件根本搞不定，感觉是个硬件问题啊，那就让硬件做些限制（保证）吧！（cpu必须得做一些前提保证，否则软件世界大乱。。。） 前面说了，cpu会按照自己的（优化）顺序去执行指令，但一定不能违反一个大准则：程序本身的逻辑顺序。它会做如下保证： 1）有依赖的，保证保持现有顺序。 比如下面指针使用的例子：
smp_read_barrier_depends()一般为空，也就是说大部分的cpu是（不需要特殊处理）保证这种顺序的：因为得保持程序自身的依赖关系！ 2）保证对重叠操作的处理保序 所谓重叠操作就是对同一内存地址的连续处理。 比如：
对地址X的处理顺序的两条指令就是重叠操作，cpu会保证现有顺序。 3）对毫无关系的指令，cpu保证你猜不出顺序！比如：
这样的指令序列，会有几种可能的顺序？6种（3的阶乘）顺序，哪种都可能！ 4）cpu保证对重叠部分可能合并，可能覆盖！ 比如：
此时可能有：
再比如：
此时可能有：
可见，重叠时，cpu可能会合并（又可能导致覆盖）。 cpu能做出以上保证，算给软件稍微（一点点）减负了。 特别需要注意的是位域结构：一般地，位域操作不是线程安全的！就是说，对同一个结构体内的不同位域成员（即使连续定义的成员）的多线程访问是无法保证线程安全的：
我们来仔细分析这个问题，先看跟位域相关的一个memory location定义：
所谓memory location，指的是一个标量类型对象或一个最大的连续非0长度位域组。特别地，0长度位域会单独霸占一个memory location，从而隔离出memory location！ 那memory location到底对线程安全有何影响？对同一memory location的访问（包括更新）不是线程安全的；对不同memory location的访问（包括更新）则是线程安全的。 更具体地讲，对于一个结构体（各个字段的类型，可能是位域，也可能不是）而言，我们总结如下几个要点：
综上，要使访问位域线程安全化，可以采用锁，也可以在两个位域之间插入0长度位域（虽然有点浪费空间）。 好了，我们这次就讲到这里。总之，每个控制主体（compiler、各个cpu、程序逻辑本身）都会有自己所期望的顺序，那如何协调呢？下次开始讲什么是内存屏障。。。（未完待续） 关于我们 新浪微博（@NP等不等于P） 计算机学习微信公众号（jsj_xx） 原创技术文章，感悟计算机，透彻理解计算机! |
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