c# - 内存屏障如何影响数据的 “freshness”？

Question

我对以下代码示例有疑问(取自:http://www.albahari.com/threading/part4.aspx#_NonBlockingSynch)

class Foo
{
   int _answer;
   bool _complete;

   void A()
   {
       _answer = 123;
       Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 1
       _complete = true;
       Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 2
   }

    void B()
    {
       Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 3
       if (_complete)
       {  
          Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 4
          Console.WriteLine (_answer);
       }
    }
 }

接下来是以下移植:

"Barriers 1 and 4 prevent this example from writing “0”. Barriers 2 and 3 provide a freshness guarantee: they ensure that if B ran after A, reading _complete would evaluate to true."

我了解使用内存屏障如何影响指令排序，但是提到的 “新鲜度保证” 是什么？

在本文的后面，还使用了以下示例:

static void Main()
{
    bool complete = false; 
    var t = new Thread (() =>
    {
        bool toggle = false;
        while (!complete) 
        {
           toggle = !toggle;
           // adding a call to Thread.MemoryBarrier() here fixes the problem
        }

    });

    t.Start();
    Thread.Sleep (1000);
    complete = true;
    t.Join();  // Blocks indefinitely
}

此示例后有以下说明:

"This program never terminates because the complete variable is cached in a CPU register. Inserting a call to Thread.MemoryBarrier inside the while-loop (or locking around reading complete) fixes the error."

再说一遍...这里发生了什么？

Answer 1

在第一种情况下，屏障1确保_answer之前写入_complete。无论代码是如何编写的，还是编译器或CLR如何指示CPU，内存总线的读/写队列都可以对请求进行重新排序。屏障基本上说“先清除队列再继续”。同样，屏障4确保在_answer之后读取_complete。否则，CPU2可能会重新排序，并看到带有"new" _answer的旧_complete。

从某种意义上说，障碍2和3是无用的。注意，说明中包含单词“after”:即“...，如果B在A之后……”。 B追赶A是什么意思？如果B和A在同一个CPU上，那么可以肯定，B可以在之后。但是在那种情况下，相同的CPU意味着没有内存障碍问题。

因此，请考虑B和A在不同的CPU上运行。现在，就像爱因斯坦的相对论一样，比较不同位置/CPU时间的概念实际上没有任何意义。
另一种思考的方式-您可以编写代码来判断B是否追赶A吗？如果是这样，那么您可能使用了内存屏障来做到这一点。否则，你不能说，问也没有道理。它也类似于海森堡原理-如果您可以观察到它，则说明实验已修改。

但是撇开物理学，让我们假设您可以打开机器的机盖，然后看看_complete的实际存储位置是否正确(因为A已经运行)。现在运行B。如果没有障碍3，CPU2可能仍然看不到_complete为true。即不是“新鲜”。

但是您可能无法打开计算机并查看_complete。也不要将您的发现传达给CPU2上的B。您唯一的通信就是CPU本身在做什么。因此，如果他们不能无障碍地确定事前/事后，那么问“如果B在没有障碍的情况下在A之后运行，B会发生什么”是没有道理的。

顺便说一下，我不确定您在C#中可以使用什么，但是通常要做的是，代码示例1真正需要的是写时的单个释放障碍，而读时的单个获取障碍:

void A()
{
   _answer = 123;
   WriteWithReleaseBarrier(_complete, true);  // "publish" values
}

void B()
{
   if (ReadWithAcquire(_complete))  // subscribe
   {  
      Console.WriteLine (_answer);
   }
}

“预订”一词并不常用于描述情况，而“发布”则用于描述情况。我建议您阅读Herb Sutter关于线程的文章。

这将障碍放置在正确的位置。

对于代码示例2，这实际上不是内存障碍问题，而是编译器优化问题-将 complete保留在寄存器中。内存屏障会像 volatile一样将其强制淘汰，但是可能会调用外部函数-如果编译器无法确定该外部函数是否修改了 complete，它将从内存中重新读取它。例如，可以将 complete的地址传递给某个函数(在编译器无法检查其详细信息的位置定义):

while (!complete)
{
   some_external_function(&complete);
}

即使函数没有修改 complete，如果编译器不确定，它也需要重新加载其寄存器。

也就是说，代码1和代码2的区别在于，仅当A和B在单独的线程上运行时，代码1才有问题。即使在单线程计算机上，代码2也可能有问题。

实际上，另一个问题是-编译器可以完全删除while循环吗？如果它认为 complete无法被其他代码访问，为什么不呢？即，如果决定将 complete移入寄存器，则最好完全删除该循环。

编辑:要回答来自opc的评论(我的回答对于评论块来说太大了):

屏障3强制CPU刷新所有未决的读取(和写入)请求。

因此，想象一下在阅读_complete之前是否还有其他读物:

void B {}
{
   int x = a * b + c * d; // read a,b,c,d
   Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 3
   if (_complete)
   ...

没有障碍，CPU可能会将所有这5个读取请求“挂起”:

a,b,c,d,_complete

在没有障碍的情况下，处理器可以对这些请求进行重新排序以优化内存访问(即，如果_complete和'a'在同一高速缓存行上或在同一行上)。

有了这个障碍，CPU会从内存中取回a，b，c，d，然后再将_complete作为请求放入。例如，在_complete之前读取确保为'b'的内容，即不进行重新排序。

问题是-它有什么区别？

如果a，b，c，d与_complete独立，那么没关系。所有的障碍都是放慢速度。是的， _complete稍后再读。因此，数据更加新鲜。在读取之前将sleep(100)或一些忙于等待的for-loop放入其中也会使其变得“新鲜”! :-)

所以重点是-保持相对。是否需要相对于其他数据在数据之前/之后读取/写入数据？这就是问题所在。

而且不要压倒文章的作者-他确实提到“如果B追赶A ...”。尚不清楚他是否想像A之后的B对代码至关重要，可以通过代码观察还是无关紧要。