pthread之memory barries

pthread之memory barries

     memory barrier(内存屏障）是为解决内存可视性以及内存排序相关问题提出，是pthread使的一套内存机制，操作系统也可能使用这种机制，但 pthread与OS在这点上是没有交集，互相独立的。此外memory barrier其实就是保证几个代码块之间的同步执行。在pthread中mutex_lock,  mutex_unlock可以看作是就是pthread内存屏障机制的外在表现。

     上有这样一句话：为编写可移植性代码，总要使用pthread内存可视化规则来保证正确性，而不能依赖于特定硬件和编译器相关的假设。这说明，内存屏障的正确要基于一种规则来进行，就可以保证。
   
    首先来看看传说中的内存可视化规则是什么：

1. 当线程调用pthread_create时，它所能看到的内存值也是它建立的线程能够看到的。在pthread_create调用之后向内存写入的数据，可能不会被建立的线程看到，即使写操作发生在启动新线程之前。
2. 当线程解锁互斥量时看到的内存中的数据，同样也能被后来直接锁住相同互斥量的线程（或能过等待条件变量锁住的线程）看到。同样，在解锁互斥量之后写入的数据不必被其它线程看见，即使写操作发生在其它线程锁互斥量之前。
3. 线程终止（或者取消，或从启动函数中返回，或调用pthread_exit)时看到的内存数据，同样能够被连接该线程的其它线程（通过调用pthread_join)看到。当然，终止后写入的数据不会被连接线程看到，即使写操作发生在连接之前。
4. 线程发信号或者广播条件变量时看到的内存数据，同样可以被唤醒的其他线程看到。而在发信号或广播之后写入的数据不会被唤醒的线程看到，即使写操作发生在线程被唤醒之前。

我个人觉得，上面的四条是多线程编程的精华中的精华，难懂中最难懂的部分。

    为了理解相关的内容，我们说一下内存排序相关的概念：

1. 内存排序的概念与高速缓存、内存总线工作原理有关。
2. 在不保证读写顺序的系统中（现在的很多计算机），高速缓存中的数据块可能在任何处理器认为方便的时候写入。
3. 如果两个处理器向同一个内存单元写入数据，那么它们的值最初都被存储在各自的高速缓存中。最终两个值在随机的时刻，以随机的顺序写入。
4. 即使是同一个处理器中的两个写操作，也不需要在内存中表现相同的顺序。
5. 内存控制器可能会发现以相反的顺序写入更快或更方便。
6. 内存总线的工作原理，也导致内存的读写可能不是原子的。
7. 内存屏障是内存控制器不能删除、不可逾越、必须执行的一种对指令排序的命令，其本质上保证内存规则逻辑。

第7条的内容解决了前6条带来的内存同步的问题与困难，同时也是多线程内存同步问题解决的基础。

以上这些内容都说明：
    为编写可移植性代码，总要使用pthread内存可视化规则来保证正确性，而不能依赖于特定硬件和编译器相关的假设。这说明，内存屏障的正确要基于一种规则来进行，就可以保证。

例子包含三个文件：main.h,main.c thread.c，分别用于数据结构，执行体，子线程体的定义。

先看看main.h，注意main.h中的数据结构的声名，没有在int a；前面加volatile关键字,但是多了mutex的定义。用来说明，mutex是内存屏障的内在表现。

#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

typedef struct test
{
        int a;
        int b;
        pthread_mutex_t mutex;
}Test;

#endif

再来看看main.c，这个文件没有什么好讲的，和大多的多线程应用没有什么区别.要主意的地方是全局变量以及互斥量的使用，
对内存屏障的理解最好与＜Pthread之gcc优化＞一文一起比较，会能较好的理解。
#include "main.h"
/*请结合thread_vol来研究memory barrier的效果*/

extern  void * change( void * arg );

Test x = { 1, 0, PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };

int main()
{
        pthread_t pid;
        if ( pthread_create( &pid, 0, change, 0 ) )
        {
               printf( "Create thread error\n" );
               exit( -1 );
        }

        //注意可视性规则1
        pthread_mutex_lock( &x.mutex );              
        int c = x.a;
        pthread_mutex_unlock( &x.mutex );
        while( c )
        {
               //可视性规则2
               pthread_mutex_lock( &x.mutex );              
               c = x.a;        //正确得到a值，才能退出循环
               pthread_mutex_unlock( &x.mutex );
        }

       printf( "%d\n", x.b );    //理论上该值不一定正确的打印，事实上我测试了半天，都正常打印了..

        //可视性规则3
        pthread_join( pid, 0 );

        printf( "%d\n", x.b );    //该值正确的打印

        return 0;
}

再看看thread.c，它主要将x.a设置为0,以被主线程结束循环，x.a设置为0有内存屏障的保证，从而能正确的被主线程得到。
x.b只有在join之后才可以确定得到,因为x.b并不在mutex的保护之下。
#include "main.h"

extern Test x;

void * change( void * arg )
{
        pthread_mutex_lock( &x.mutex );
        x.a = 0;
        pthread_mutex_unlock( &x.mutex );
        x.b = 11;

        printf( "XXXX\n" );

        return (void *)0;
}

该文只是为介绍多线程中比较难懂的内容，对于上面的大量使用加锁、解锁方法并不一定处处适用。当然上面的方法