一文了解Memory barrier(内存屏障)

发布网友发布时间：2024-10-23 23:23

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热心网友时间：2024-11-02 11:30

程序运行时，内存实际访问顺序与程序代码编写的顺序可能不一致，这称为内存乱序访问。内存乱序访问是为了提升程序性能。它主要发生在编译器优化和多线程环境下。使用内存屏障（Memory barrier）可确保CPU或编译器在内存访问上有序。内存屏障分编译时内存屏障和运行时内存屏障两种类型。

编译时内存乱序访问可能由编译器优化引起，如gcc的O2或O3选项优化顺序。使用编译器barrier可避免此类问题。Linux内核提供函数barrier()保证之前内存访问先于之后完成。编译器barrier通过特定指令实现，如在x86-64架构下，barrier()函数实现包含以下代码：

在代码中加入编译器barrier，可避免编译器优化导致的内存乱序。使用volatile关键字也可以避免编译时乱序，同时确保内存访问有序。在Linux内核中，ACCESS_ONCE宏用于防止编译器对连续实例进行指令重排。

运行时内存乱序访问在多CPU环境下较为常见。CPU通过cache提高性能，但在数据不一致时，可能产生乱序问题。此时，需要CPU内存屏障（如mb、wmb、rmb）确保数据一致性。

多CPU情况下，内存乱序访问可通过创建线程测试代码来验证。程序运行时，两个线程可能在不同CPU上，内存乱序会导致断言失败。使用CPU内存屏障可解决此问题，确保数据访问有序。

内存屏障实际应用包括多线程编程、无锁数据结构等场景。在单CPU环境下，内存操作通常有序；在Alpha等处理器上，需使用数据依赖屏障。在Linux内核中，包括编译器屏障（barrier）、CPU内存屏障（如mb、wmb、rmb）等。

总结，内存屏障是解决内存乱序访问的关键工具，根据具体环境选择合适类型，确保程序正确执行。在实际开发中，开发者可能无需直接使用内存屏障，但了解其原理有助于编写高效、正确的多线程程序。