内存栅栏:软件高手的硬件观(二)

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3.存储导致不必要的停顿

　　虽然显示在图１中的缓存结构，对重复的从指定的CPU读和写指定的数据项提供了好的性能，但它的性能对于第一次写一个指定的缓存行却相当糟糕．为此考虑图4,它显示了由CPU0写一个由CPU1缓存持有的缓存行.由于CPU0必须等待缓存行到达，在它可写前，CPU0必须停顿一个额外的时间．
　　
　　但是，没有实际原因去强制CPU0去停顿如此长的时间—-毕竟，无论CPU1发送到缓存行的是什么数据，CPU0都继续无条件的覆盖它．

3.1 存储缓冲器

　　一种方式去阻止此不必要的写停顿，是去添加”存储缓冲器”在各CPU和它的缓存间,如图5中所示，随着添加这些存储缓冲器，CPU0可以在它存储缓冲中,简单记录它的写数据，并继续执行．当缓存行最终从CPU1移动到CPU0时，数据将从存储缓冲区被移动到缓存行．
　　
　　然而，有一些难题必须被解决，这些在后面两节中讲到．

3.2 存储转发

来看第一个难题，违反自洽性，考虑如下代码，有变量”a”和”b”都初始化为0,并且包含变量”a”的缓存行初始由CPU1所拥有，包含变量”b”的初始由CPU0拥有:

1  a=1;2  b=a+1;3  assert(b==2);

没人希望断言失败．然而，如果有人非常愚蠢的使用图5中极其简陋的结构，他将非常吃惊，这样一个系统可能潜在地见到如下序列的事件:

1. CPU0启动执行a=1;
2. CPU0查看”a”在缓存中，并知道它未命中;
3. CPU0因而发送一个”读无效”消息，为了获得包含”a”的缓存行的独占;
4. CPU0记录存储”a”到它的存储缓冲中;
5. CPU1接收”读无效”消息，并通过发送缓存行来响应，并从它的缓存中移除缓存行;
6. CPU0启动执行b=a+1;
7. CPU0从CPU1接收缓存行,这仍然是有一个0值的”a”;
8. CPU0从它的缓存中装载”a”,并找到值0;
9. CPU0应用它存储缓存队列中的项到新到达的缓存行，在它的缓存中设置”a”的值为1;
10. CPU0加1到上面装载的”a”值０,并存储它到包含”b”的缓存行(这假设已经被CPU0所拥有);
11. CPU0执行assert(b==2),这将失败;

　问题在于有两个”a”的副本，一个在缓存中，另一个在存储缓冲区中．
　此例违反了一个非常重要的保证，称为各CPU将总看到它自己的操作，就像它们是按程序顺序发生的．
　这种保证对软件类型来说是极为直观的,因此硬件同事怜惜，并实现了”存储转发”,当执行装载时，每个CPU引用(或”检测”)它自己的存储缓冲区(store buffer)，如同它的缓存一样，如图6中所示.也就是说，一个给定”CPU”的存储是直接转发给它自己后续装载，而不必传递到缓存.

由于在相应位置有存储转发，上面序列的第8项，将在存储缓冲区找到正确的”a”值，因此”b”的最终值将是2,如所期待的．

3.3　存储缓冲区和内存栅栏
来看第二个难题，违反全局内存排序，考虑如下代码序列，变量”a”和”b”初始化为0:

1  void foo(void)2  {3    a = 1;4    b = 1;5  }67  void bar(void)8  {9    while(b==0) continue;10   assert(a == 1);11 }

假设CPU0执行foo()和CPU1执行bar(),进一步假设包含”a”的缓存行仅驻留在CPU1的缓存中，并且包含”b”的缓存行由CPU0所拥有，则操作序列可能如下:

1. CPU0执行a=1,缓存行不在CPU0的缓存中，因此CPU0放置”a”的新值在它的存储缓冲区(store buffer)，并且转发一个”读无效”消息.
2. CPU1执行while(b==0)continue;但包含”b”的缓存行不在它的缓存中.它因此发送一个”读”消息.
3. CPU0执行b=1,它已经拥有此缓存行(换句话说，缓存行已经在”修改”或”独占”状态),因此它存储”b”的新值在它的缓存行中.
4. CPU0接收”读”消息，并发送包含最新”b”值的缓存行到CPU1,也标记为”共享”在它自己的缓存中.
5. CPU1接收包含”b”的缓存行，并安装它在它的缓存.
6. CPU1现在能完成执行while(b==0)continue;并因此知道”b”的值是1,它继续处理下一条语句.
7. CPU1执行assert(a==1),并因此CPU1工作用”a”的旧值，此断言失败.
8. CPU1接收”读无效”消息，并且发送包含”a”的缓存行到CPU0,并无效此缓存行从它所拥有的缓存，但是太迟了.
9. CPU0接收包含”a”的缓存行，并立即应用缓冲的存储到断言失败的受害者CPU1.

硬件设计者不能在此直接帮助，由于CPU不知道哪个变量是相关的，更不用说它们是如何相关的.因此，硬件设计者提供内存栅栏指令去允许软件告诉CPU关于这些关系.程序片段必须被更新为包含内存栅栏:

1  void foo(void)2  {3    a = 1;4    smp_mb();5    b = 1;6  }78  void bar(void)9  {10   while(b == 0)continue;11   assert(a == 1);12 }

内存栅栏smp_mb()将引发CPU去刷新它的存储缓冲区，在应用后续存储到它们的缓存行前.在继续处理前，CPU将简单的停顿，直到存储缓冲区为空,或它可以使用存储缓冲区去持有后续存储，直到所有存储在缓冲区的先前项被应用.
因此，随后的操作序列可能如下:

1. CPU0执行a=1. 缓存行不在CPU0的缓存中，因此CPU0放置”a”的新值在它的存储缓冲区(store buffer)中，并发送一个”读无效”消息.

2. CPU1执行while(b==0)continue;但包含”b”的缓存行不在它的缓存中，它因此发送一个”读”消息.

3. CPU0执行smp_mp(),并且标记所有当前存储缓冲区项(即,a=1);

4. CPU0执行b=1,它已经拥有此缓存行(也就是说，缓存行已经在”修改”或”独占”状态),但有一个标记项在存储缓冲区(store buffer)中.因而，不是存储一个新的”b”值到缓存行,而是替代放置它d到存储缓冲区(store buffer)中(但在一个未标记的项/条目中).

5. CPU0接收”读”消息,并发送包含”b”原始值的缓存行到CPU1.它也标记它所拥有的缓存行副本为”共享的”.

6. CPU1接收包含”b”的缓存行,并装载它到缓存.

7. CPU1现在能完成执行while(b==0)continue;但由于它知道”b”值仍为0,它重复while语句.”b”的新值被安全隐藏在CPU0的存储缓冲区.

8. CPU1接收”读无效”消息，并发送包含”a”的缓存行到CPU0,并从它自己的缓存中无效此缓存行.

9. CPU0接收包含”a”的缓存行，并应用缓冲的存储.

10. 由于a的存储，是在存储缓冲区中仅有的被smp_mb()标记的项,CPU0也能存储”b”的新值–除了实际上包含”b”的缓存行现在是”共享”状态.

11.CPU0因此发送一个”无效”消息到CPU1

12.CPU1接收”无效”消息，从缓存中无效包含”b”的缓存行，并发送一个”确认”消息到CPU0.

13.CPU1执行while(b==0)continue,但包含”b”的缓存行不在它的缓存中.它因而发送一个”读”消息到CPU0.

14.CPU0接收”确认”消息，并设置包含”b”的缓存行为”独占”状态.CPU0现在存储”b”的新值到缓存行.

15.CPU0接收”读”消息,并发送包含原始”b”值的缓存行到CPU1,它也标记它的缓存行副本为”共享”.

16.CPU1接收包含”b”的缓存行，并装载它到缓存中.

17.CPU1现在能结束执行while(b==0)continue;并且由于它知道”b”的值为1,它继续下一条语句.

18.CPU1执行assert(a==1),但包含”a”的缓存行不在它的缓存中.一旦它从CPU0获得此缓存，它将用”a”的最新值工作，并且断言因此通过.

如你所见，此过程调用了不少的记录.即使一些直观上简单的，如”装载a的值”,在处理器中也会调用大量复杂的步骤.