Linux kernel Memory Barrier

Reportson the Barrier in Linux

 

Reporter: Harold Wang

http://blog.csdn.net/hero7935/

KernelEdition: 2.6.37.3

 

Abstract:本报告介绍Linux中MemoryBarrier使用环境、分类与典型应用举例，分析了MemoryBarrier在多处理机环境下对于维持指令按序执行的意义。

 

KeyWord: 内存屏障MemoryBarrier; 对称多处理机SMP;

 

Explanationsof Abbreviations used in this paper:

 

MB——MemoryBarrier

OOO——Out-Of-Order

Loadand Store——L&S

1. LinuxMB Brief Preview

独立的内存操作是高效的，它提供了多处理机环境下指令执行的并发性；各自独立的内存操作同时意味着指令的执行可能导致OOO，在CPU之间交互、I/O设备中可能带来问题，于是我们需要一种机制，在需要的时候，来确保编译器和CPU按序存取内存——这种机制就是：内存屏障MB。

1. LinuxMB Analysis In Depth

1. MB使用情景描述

每个CPU执行程序中具有独立访问内存的操作，这种独立地访问操作是非常宽松的，理论上可能以任意次序执行；同时编译器处于优化的目的也可能将指令以任意次序重新编排。本文中对MB的探讨是基于以上所描述的环境展开的。

 

 

1. MB四种变体

• Write(Store)MB:指定点前所有Store操作的完成在这个点之后的所有Store之前

• Datadependency MB:同一数据对象的前后读写操作在同一CPU上是编译器自保证的，但是在不同CPU上需要MB提供保证。

• Read(Load)MB:指定点前所有Load操作的完成在这个点之后的所有Load之前

• GeneralMB:指定点前所有L&S操作的完成在这个点之后的所有L&S之前

• LockOperation:Lock点后任何内存操作的发生必须在这个点之后才开始

• UnLockOperation: Lock点前任何内存操作的完成必须在这个点之前发生

Lock/UnLock操作概念上类似其他操作系统中Barrier的概念

1. MB使用场景

• Datadependency: 同一CPU上由编译器、CPU可以自保证，不同CPU 上使用Datadependency MB提供支持。

• Controldependency:可能需要使用ReadMB提供支持

• SMPPairing: CPU之间交互时往往需要成对使用两种MB

 

Analysis：

WriteMB目的是确保d不会读到a的旧值(1)；

ReadMB 目的是确保c不会读到b的旧值(4)；

我们先来看看如果没有MB可能的结果：

c=2;d=1

c=4;d=1

c=2;d=3

•                          c=4;d=3

 

如果我们的本意是第四个，那么使用MB机制就可以确保结果是第四种情况。

 

 

Analysis：

WriteMB 目的是确保b不会读到*pp的旧值(0)

Datadependency MB 目的是确保pp不会读到p的旧值(2)

 

同理，MB机制就可以确保最终b读到pp新值(1)；而pp读到p的新值(1)

 

1. Conclusion

内存屏障仅在CPU之间、CPU与外设之间交互时用到。当处理多处理器之间或硬件设备之间的同步问题时，可能存在以指定的顺序发出读内存和写内存的需求；在和硬件交互时，也需要确保一个给定的读操作发生在其他读或写操作之前；在多处理上，可能需要按写数据时的顺序读数据（通常确保后来以同样的顺序进行读取）。但是编译器和处理器为了提高效率，可能对读和写重新排序。指示编译器不要对给定的点周围的指令进行重新排序，这些确保顺序的指令由内存屏障MB机制提供保证。

Author: Harold Wang 
http://blog.csdn.net/hero7935

 

 

Reference:

1. linux-2.6.37.3/Documentation/memory-barriers.txt

2. linux-2.6.37.3/arch/barrier.h

3. RobertLove. Linux Kernel Development 3rd Edition [M]. US:Addison-Wesley，2010:203-206