关于memory barrier/memory ordering的笔记和总结(3)

来源:互联网 发布:虚荣 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/03/29 05:22


Linux中的memory barrier

                       基本的memory ordering特征

原则:内核按照最relaxmemory ordering(DEC Alpha)来设计,其内存模型的特点如下:

对不同地址的普通内存操作会发生乱序(对同一地址的读写,由cache一致性保证)

注:和ARM的内存模型不同的是:write barrier/memorybarrier不能单独对系统中所有的CPU核心,write barrier前的写操作先于其后的写操作完成,必须配对使用datadependency(存在address dependency的两个写操作)read barrier/memory barrier才能保证。

                       compiler barrier

这种memorybarrierCPU的内存模型无关,是通知编译器在优化过程中,保证该barrier前的内存操作语句和其后的内存操作语句发生乱序。也就是该barrier之前的内存操作语句对应的机器指令不会出现在该barrier之后的内存操作语句对应的机器指令之后,反之亦然。

 

LINUX内核中对应的接口是barrier(),其根据不同的编译器有不同的定义。

                       CPU memory barrier

这里描述的是Linux内核的接口的基本要求,实际实现过程中其memory order作用可能有加强,需要根据在对于架构下内核代码使用的指令来判断。比如对于ARM下的LOCK指令的实现使用了smp_mb,其作用强于本身的定义。以下描述的所有barrier,确保的是按照program order barrier接口前后的对应类型的内存操作的相对顺序,并不意味着barrier接口的执行完成,barrier接口前面的内存的操作就完成了(一些体系结构有相关的指令,比如ARMDSB指令)。虽然在X86ARM环境,所有的barrier接口都具有cumulative属性,但是内核只保证General barriercumulative属性。除data dependency barrier以外的其他CPU memory barrier都隐含了compiler barrier,不过对于data dependency barrier的使用场景,编译器一般也不会发送乱序。

 

         Write barrier

基本作用:和Readbarrier/memory barrier配合使用,保证program orderWrite barrier之前的写操作不会和其后的写操作发生乱序,Linux内核不保证Writebarriercumulative特性(就是和ARMDMB类似的传递性,但是ARMX86都保证),当然对一些平台上的实现,是有cumulative特性的。其对应的内核接口为wmb()/smp_wmb(),其中的smp_wmb()在单CPU系统中就定义为空,如果不涉及和外设的互斥,smp_wmb()是个不错的选择,否则只能用wmb()

         Read barrier

基本作用:保证programorderRead barrier之前的读操作不会和其后的读操作发生乱序,Linux内核不保证Read barriercumulative特性(就是和ARMDMB类似的传递性),当然对一些平台上的实现,是有cumulative特性的。

对应的内核接口为rmb()/smp_rmb()

         Data dependency barrier

基本作用:用在存在addressdependency的两个读操作之间,和Writebarrier/memory barrier配合使用,确保对这两个读操作操作的内存的写操作能够按照program order可见,是一种弱化的Read barrier。注:对于X86ARM等主流系统,存在address dependency内存操作在和write barrier配合的时候可以确保对应的写操作按照program order可见,不需要使用Data dependency barrier,在X86ARM架构下,这个接口定义为空。这种barrier仅仅对DEC AlphaCPU才定义为使用mb之类的指令。

例子:

{ A == 1, B == 2, C = 3, P == &A, Q == &C }

T1: B = 4;wmb() ;P=&B

T2: Q=P ; P=*Q

在没有Data dependencybarrier的情况下,对某些CPUQ=&B && P=2是可能出现的。这是因为虽然wmb确保了在T1B =4先于P=&B执行,但是扩散到T2的时候,可能对P的变更先于对B的变更到达T2,也就是单单的wmb不能确保对所有的CPU(PE)B=4先于P=&B可见。需要注意的是,这里Q=P仍然是先于P=*Q执行的,没有乱序。这一点和之前的X86ARM明显不一样。。。

 

对应接口read_barrier_depends()/smp_read_barrier_depends()

 

注:可以认为write barrier只能确保CPU按照program order提交写操作,address dependency能确保CPU按照program order来提交读操作,但是写操作对读操作的可见顺序需要read barrier/data dependency barrier来保证?

         General barrier

基本作用:保证programorderGeneralbarrier之前的读写操作不会和其后的读写操作发生乱序,Linux内核保证Generalbarriercumulative特性(就是和ARMDMB类似的传递性,如果在CPU1上看到A操作先于B操作,CPU2上看到B操作先于C操作,CPU3上看到C操作先于D操作;可以推断出CPU3上看到的A操作也先于D操作),当然对一些平台上的实现,是有cumulative特性的。

对应的内核接口为mb()/smp_mb()

         隐含的barrier

spinlock/unlock

其隐含的memorybarrierARMLoad acquire-Store release类似:Lock确保program order在其后的内存操作,不会先于Lock操作完成;Unlock确保program order在其前的内存操作,不会后于UnLock操作完成。需要说明的是:Lock操作的memory barrier保证只有Lock成功后才能保证。

A LOCK B UNLOCK C

BC中的操作后于LOCK操作完成,而AB中的操作先于UNLOCK完成。A中的操作可以在B中的操作之后,但是不能越过UNLOCKC中的操作之后;同样,C中的操作可以越过UNLOCKB中的操作之前,但是不能越过LOCKA中的插在哦之前。

irq disable/enable

相当于compiler_barrier()

sleep/wakeup func

其隐含了smp_mb(),其隐含的smp_mb()其实是set_current_state()中调用的set_mb接口,其它的使用了该接口的API也都隐含了smp_mb()

atomic操作

一些原子操作具有隐含的memorybarrier,具体查看对应接口的内核实现。

                       MMIO write barrier

对应的内核接口:mmiowb()

原因:LOCK/UNLOCK等构成的临界区中执行的对外设的写操作虽然CPU发起操作的顺序得到了保证,但是到达外设后,还是可能会混在一起。比如:

   CPU 1              CPU 2

   ===============================

   spin_lock(Q)

   writel(0, ADDR)

   writel(1, DATA);

   spin_unlock(Q);

                   spin_lock(Q);

                   writel(4, ADDR);

                   writel(5, DATA);

                   spin_unlock(Q);

到达PCI bridge后的顺序可能为:

STORE *ADDR = 0, STORE *ADDR = 4, STORE *DATA = 1, STORE *DATA = 5

这是因为一些体系结构(比如IA64,典型的X86-64ARM其实没有这个需求)PCI bridge不参与cache coherence protocol处理而导致了乱序,为了确保想要的临界区,需要在临界区的最后,添加mmiowb(),确保系统中在mmiowb()之前发起的所有wrtie操作在其后发起的write操作之前完成。由于readl操作也能确保写操作完成,故如果在UNLOCK之前有readl操作,效果和mmiowb()一样,并且不要求readlwritel访问的地址一样。

因此,如果需要保证writel的相关顺序,且临界区的最后一个操作是writel不是readl,需要使用mmiowb()来确保执行顺序,比如由LOCK/UNLOCK操作构成的临界区,对应使用IRQ-DISABLE/ENABLE完成和ISR串行化的操作的时候也可能需要使用mmiowb()

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