学习load acquire 和store release

这个问题困扰了我很久，一直都想不明白。今天好像有点通了，立即记录下来。仅是个人理解。

在学习BOOST多线程库的原码时

这样一个头文件引起了我的注意：

interlocked_read.hpp

[cpp:showcolumns] view plaincopyprint?
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  1. #ifdef BOOST_MSVC   
  2. extern "C" void _ReadWriteBarrier(void);  
  3. #pragma intrinsic(_ReadWriteBarrier)   
  4. namespace boost  
  5. {  
  6.     namespace detail  
  7.     {  
  8.         inline long interlocked_read_acquire(long volatile* x)  
  9.         {  
  10.             long const res=*x;  
  11.             _ReadWriteBarrier();  
  12.             return res;  
  13.         }  
  14.         inline void* interlocked_read_acquire(void* volatile* x)  
  15.         {  
  16.             void* const res=*x;  
  17.             _ReadWriteBarrier();  
  18.             return res;  
  19.         }  
  20.         inline void interlocked_write_release(long volatile* x,long value)  
  21.         {  
  22.             _ReadWriteBarrier();  
  23.             *x=value;  
  24.         }  
  25.         inline void interlocked_write_release(void* volatile* x,void* value)  
  26.         {  
  27.             _ReadWriteBarrier();  
  28.             *x=value;  
  29.         }  
  30.     }  
  31. }  
  32. #else   
  33. namespace boost  
  34. {  
  35.     namespace detail  
  36.     {  
  37.         inline long interlocked_read_acquire(long volatile* x)  
  38.         {  
  39.             return BOOST_INTERLOCKED_COMPARE_EXCHANGE(x,0,0);  
  40.         }  
  41.         inline void* interlocked_read_acquire(void* volatile* x)  
  42.         {  
  43.             return BOOST_INTERLOCKED_COMPARE_EXCHANGE_POINTER(x,0,0);  
  44.         }  
  45.         inline void interlocked_write_release(long volatile* x,long value)  
  46.         {  
  47.             BOOST_INTERLOCKED_EXCHANGE(x,value);  
  48.         }  
  49.         inline void interlocked_write_release(void* volatile* x,void* value)  
  50.         {  
  51.             BOOST_INTERLOCKED_EXCHANGE_POINTER(x,value);  
  52.         }  
  53.     }  
  54. }  
  55. #endif  
 

这就是许多牛人在讨论内存模型时提到的load acquire 和store release的实现。

关于load acquire 和store release，在博客园上有两位大牛的文章说得很明白。

http://www.cnblogs.com/lxconan/archive/2008/07/19/1246776.html

http://www.cnblogs.com/sun/archive/2010/02/03/1663064.html#2001829

从这两篇文章，我学到了两方面知识：

1.有几种情况可能影响代码的顺序（这里的顺序可能不仅是执行顺序，还包括外部的感知顺序）

    a.编译器对代码的优化，导致编译出的代码顺序与程序员写出来的源代码顺序不一致。

    b.CPU进行指令的reorder，CPU可以在执行时将指令顺序打乱。导致实际执行顺序与编译后代码的顺序不一致。

    c.CPU写内存时，由于store buffer的存在，导致外部对写内存动作的感知的延迟

    b.store buffer的flush操作可能是以低地址到高地址顺序进行的，所以导致外部对写内存的动作感知顺序不一致


2.强内存模型下，存在store buffer，但外部对store buffer写内存动作的感知是有序的。弱内存模型下外部对store buffer写内存动作的感知可能是无序的。X86-64，AMD64的内存模型都是强内存模型，而IA64的内存模型是弱内存模型（比如安腾）。


有了这些基础知识，现在来理解load acquire 和store release就比较容易了。

不过上面两篇文章是基于C#的，没有一篇关于C++的load acquire 和store release。所以既然boost实作出来了，我很想研究一下，load acquire 和store release和普通的load store有什么差别。


我用VC2005编译了这段代码， 我机器的CPU是Intel(R) Core(TM) Duo


        inline long interlocked_read_acquire(long volatile* x)

        {

004073B0  push        ebp  

004073B1  mov         ebp,esp 

004073B3  push        ecx  

            long const res=*x;

004073B4  mov         eax,dword ptr [x] 

004073B7  mov         ecx,dword ptr [eax] 

004073B9  mov         dword ptr [res],ecx 

            _ReadWriteBarrier();

            return res;

004073BC  mov         eax,dword ptr [res] 

        }

004073BF  mov         esp,ebp 

004073C1  pop         ebp  

004073C2  ret   


发现interlocked_read_acquire生成的汇编代码出奇的简单，没有什么特别的，连我期待的mfence之类的代码都没有出现。那么interlocked_read_acquire有什么特别的呢？

从源代码开始分析。源代码添加了volatile关键字，volatile告诉编译器不要尝试优化对变量的存取，但这似乎没有对代码顺序作出任何的限定。那么是_ReadWriteBarrier()又是干什么的?它似乎被编译器忽略了。查了MSDN才知道，VC的编译器可能对volatile关键字进行reorder，_ReadWriteBarrier只是告诉编译器禁止这种优化，它并不是真正意义的内存栅栏，而是相当于一句编译命令。那么这里没有一句代码有内存栅栏的功能，如何实现load acquire呢？

下面这篇文章解释了这个问题

http://blogs.msdn.com/b/kangsu/archive/2007/07/16/volatile-acquire-release-memory-fences-and-vc2005.aspx

文章指出，在强内存模型下，volatile关键字声明的变量已经具备load acquire和store release的功能了。在弱内存模型下，才需要用fence指令。因此，vc2005为x86-64以及AMD64平台编译的代码，只要加入了volatile关键字，就一定是具备load acquire和store release的功能。

微软MSDN有对vc2005提供的volatile关键字作出了以下的解释

A write to a volatile object (volatile write) has Release semantics

A read of a volatile object (volatile read) has Acquire semantics

意思就是告诉程序员，放心地把volatile当作可以load acquire和store release的关键字来使用。那么，在X86-64平台下，用volatile不会增加任何额外代码，在IA64平台下，用volatile会增加内存栅栏的指令。分析到此，已经可以明白interlocked_read_acquire在VC2005下的实现是完全成确的了。

那么再来看interlocked_read_acquire在其它编译器下面的实现

[cpp:showcolumns] view plaincopyprint?
·········10········20········30········40········50········60········70········80········90········100·······110·······120·······130·······140·······150
  1. inline long interlocked_read_acquire(long volatile* x)  
  2. {  
  3.     return BOOST_INTERLOCKED_COMPARE_EXCHANGE(x,0,0);  
  4. }  
 

这里用到了lock指令，lock指令也具有栅栏的功能，因此，这里的实现是没有问题的。


另外，关于以下问题

    P0          P1
    ==========  ==========
    X = 1;      Y = 1;
    R0 = X;     R2 = Y;
    R1 = Y;     R3 = X;

问：如果X, Y 为 volatile 有没有可能使得执行完毕之后 R1 == R3 == 0 呢？


有的看法是，这个例子在弱内存模型下会出现，在强内存模型下不会出现，但我的理解是弱内存模型和强内存模型下都会出现，因为出现 R1 == R3 == 0 

的原因在于store buffer,而强弱两种内存模型都有store buffer（除非连缓存都没有的CPU），因此，这种出现这种情况不能说明是哪种内存模型。


再次，关于volatile无用论，我觉得或许绝对了。如果你想写一些可以在AMD，IA64，POWERPC等什么平台上都可以运行的代码，那么volatile可能是没有用了，取代它的是用load acquire和store release的操作。如果你确定你的代码运行在强内存模型下，那么volatile就够了。

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原文地址：https://www.cnblogs.com/xiayong123/p/3717133.html