内核同步机制-优化屏障和内存屏障

优化屏障和内存屏障

优化屏障

编译器编译源代码时，会将源代码进行优化，将源代码的指令进行重排序，以适合于CPU的并行执行。然而，内核同步必须避免指令重新排序，优化屏障（Optimization barrier）避免编译器的重排序优化操作，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。
Linux用宏barrier实现优化屏障，gcc编译器的优化屏障宏定义列出如下（在include/linux/compiler-gcc.h中）：
#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

上述定义中，“__asm__”表示插入了汇编语言程序，“__volatile__”表示阻止编译器对该值进行优化，确保变量使用了用户定义的精确地址，而不是装有同一信息的一些别名。“memory”表示指令修改了内存单元。

内存屏障

软件可通过读写屏障强制内存访问次序。读写屏障像一堵墙，所有在设置读写屏障之前发起的内存访问，必须先于在设置屏障之后发起的内存访问之前完成，确保内存访问按程序的顺序完成。
读写屏障通过处理器构架的特殊指令mfence（内存屏障）、lfence（读屏障）和sfence（写屏障）完成，见《x86-64构架规范》一章。另外，在x86-64处理器中，对硬件进行操作的汇编语言指令是“串行的”，也具有内存屏障的作用，如：对I/O端口进行操作的所有指令、带lock前缀的指令以及写控制寄存器、系统寄存器或调试寄存器的所有指令（如：cli和sti）。
Linux内核提供的内存屏障API函数说明如表2。内存屏障可用于多处理器和单处理器系统，如果仅用于多处理器系统，就使用smp_xxx函数，在单处理器系统上，它们什么都不要。
表2 内存屏障API函数说明

内存屏障的宏定义	功能说明
mb()	适用于多处理器和单处理器的内存屏障。
rmb()	适用于多处理器和单处理器的读内存屏障。
wmb()	适用于多处理器和单处理器的写内存屏障。
smp_mb()	适用于多处理器的内存屏障。
smp_rmb()	适用于多处理器的读内存屏障。
smp_wmb()	适用于多处理器的写内存屏障。

适合于多处理器和单处理器的内存屏障宏定义列出如下（在include/asm-x86/system.h中）：
#ifdef CONFIG_X86_32
/*指令“lock; addl $0,0(%%esp)”表示加锁，把0加到栈顶的内存单元，该指令操作本身无意义，但这些指令起到内存屏障的作用，让前面的指令执行完成。具有XMM2特征的CPU已有内存屏障指令，就直接使用该指令*/
#define mb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define rmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define wmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM)
#else
#define mb() asm volatile("mfence":::"memory")
#define rmb() asm volatile("lfence":::"memory")
#define wmb() asm volatile("sfence" ::: "memory")
#endif

/*刷新后面的读所依赖的所有挂起读操作，在x86-64构架上不需要*/
#define read_barrier_depends() do { } while (0)

宏定义ead_barrier_depends()刷新后面的读所依赖的所有挂起读操作，后面的读操作依赖于正处理的读操作返回的数据。在x86-64构架上不需要此宏。它表明：在此屏障之前，没有来自内存区域数据所依赖的读曾经重排序。所有的读操作处理此原语，保证在跟随此原语的任何读操作此原语之前访问内存（但不需要其他CPU的cache）。此原语在大多数CPU上有比rmb()更轻的份量。
本地CPU和编译器遵循内存屏障的排序限制，仅内存屏障原语保证排序，即使数据有依赖关系，也不能保证排序。例如：下面代码将强迫排序，因为*q的读操作依赖于p的读操作，并且这两个读操作被read_barrier_depends()分开。在CPU 0和CPU 1上执行的程序语句分别列出如下：

CPU 0                                      CPU 1
b = 2;
memory_barrier();
p = &b;                                      q = p;
                                                read_barrier_depends();
                                                d = *q;

下面的代码没有强制排序，因为在a和b的读操作之间没有依赖关系，因此，在一些CPU上，如：Alpha，y将设置为3，x设置为0。类似这种没有数据依赖关系的读操作，需要排序应使用rmb()。

CPU 0                                        CPU 1

a = 2;
memory_barrier();
b = 3;                                         y = b;
                                                 read_barrier_depends();
                                                 x = a;

适合于多处理器的内存屏障宏定义列出如下（在include/asm-x86/system.h中）：
#ifdef CONFIG_SMP
#define smp_mb() mb()
#ifdef CONFIG_X86_PPRO_FENCE
# define smp_rmb() rmb()
#else
# define smp_rmb() barrier()
#endif
#ifdef CONFIG_X86_OOSTORE
# define smp_wmb() wmb()
#else
# define smp_wmb() barrier()
#endif
#define smp_read_barrier_depends() read_barrier_depends()
#define set_mb(var, value) do { (void)xchg(&var, value); } while (0)
#else
#define smp_mb() barrier()
#define smp_rmb() barrier()
#define smp_wmb() barrier()
#define smp_read_barrier_depends() do { } while (0)
#define set_mb(var, value) do { var = value; barrier(); } while (0)
#endif

函数rdtsc_barrier用于加内存屏障阻止RDTSC猜测，当在一个定义的代码区域使用读取时间戳计数器（Read Time-Stamp Counter，RDTSC）函数（或者函数get_cycles或vread）时，必须加内存屏障阻止RDTSC猜测。其列出如下：

static inline void rdtsc_barrier(void)
{
    alternative(ASM_NOP3, "mfence", X86_FEATURE_MFENCE_RDTSC);
    alternative(ASM_NOP3, "lfence", X86_FEATURE_LFENCE_RDTSC);
}