c++ - 内存屏障到底要解决什么问题？

Question

我现在正试图解决内存障碍的问题。我一直在阅读和观看有关该主题的视频，我想确保自己理解正确，并提出一两个问题。

我从准确理解问题开始。让我们以下面的经典示例作为讨论的基础:假设我们有 2 个线程在 2 个不同的内核上运行

这是伪代码!

我们从 int f = 0; int x = 0; 然后运行那些线程:

# Thread 1

while(f == 0);

print(x)

# Thread 2 

x = 42;
f = 1;

当然，这个程序想要的结果是线程 1 将打印 42。

注意:我不讨论“编译时重新排序”，我只想关注运行时发生的事情，因此忽略编译器可能进行的各种优化。

好吧，据我了解，这里的问题是所谓的“内存重新排序”:只要最终结果符合程序的预期，CPU 就可以自由地重新排序内存操作。在这种情况下，在线程 2 中，f = 1 可能会在 x = 42 之前执行。在这种情况下，线程 1 将打印 0，这不是程序员想要的。

此时，维基百科指出了另一种可能发生的情况:

Similarly, thread #1's load operations may be executed out-of-order and it is possible for x to be read before f is checked

既然我们现在谈论的是“乱序执行”——让我们暂时忽略内核缓存。那么让我们来分析一下这里发生了什么。从线程 2 开始 - 编译后的指令看起来(在伪汇编中)类似于:

1 put 42 into register1
2 write register1 to memory location of x
3 put 1 into register 2
4 write register2 to memory location of f

好的，我知道 3-4 可能会在 1-2 之前执行。但我不明白线程1中的等价物:

假设线程 1 的指令类似于:

1 load f to register1
2 if f is 0 - jump to 1
3 load x to register2
4 print register2

这里究竟有什么问题？ 3可以在1-2之前吗？

让我们继续吧:到目前为止，我们都在讨论乱序执行，这让我想到了我的主要困惑:

在 this great post作者这样描述问题:每个核心都有自己的缓存，核心对缓存进行内存操作，而不是对主存进行内存操作。内存从特定于内核的缓存到主内存(或共享缓存)的移动发生在不可预测的时间和顺序中。所以在我们的例子中——即使线程 2 将按顺序执行它的指令——x=42 的写入也会发生在 f=1 之前，但这只是为了core2的缓存。将这些值移动到共享内存的顺序可能相反，因此会出现问题。

所以我不明白 - 当我们谈论“内存重新排序”时 - 我们是在谈论乱序执行，还是在谈论跨缓存的数据移动？

Answer 1

when we talk about "memory reordering" - do we talk about Out-of-order execution, or are we talking about the movement of data across caches?

当线程以特定顺序观察值的变化时，从程序员的角度来看，无法区分这是否是由于加载的无序执行、存储缓冲区相对于加载延迟存储并可能让它们提交乱序(无论执行顺序如何)，或(假设在没有一致缓存的 CPU 中)缓存同步。

或者甚至通过在逻辑核心之间转发存储数据而不经过缓存，在它提交到缓存并且对所有核心可见之前。 Some POWER CPUs can do this in real life但很少有其他人。

Real CPUs have coherent caches ;一旦一个值提交到缓存，它对所有内核都是可见的；在其他拷贝已经失效之前它不会发生，因此这不是读取“陈旧”数据的机制。实际 CPU 上的内存重新排序为 something that happens within a core ，连贯缓存的读取和写入可能以与程序顺序不同的顺序发生。缓存不同步后不会重新同步；它首先保持一致性。

无论机制如何，重要的影响是另一个线程观察您正在读取/写入的相同变量，可以看到效果以与汇编程序顺序不同的顺序发生。