内存屏障是什么

　　内存屏障，也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等， 是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。

　　大多数现代计算机为了提高性能而采取乱序执行，这使得内存屏障成为必须。

　　语义上，内存屏障之前的所有写操作都要写入内存；内存屏障之后的读操作都可以获得同步屏障之前的写操作的结果。因此，对于敏感的程序块，写操作之后、读操作之前可以插入内存屏障。

　　内存屏障的分类：

　　1.编译器引起的内存屏障

　　2.缓存引起的内存屏障

　　3.乱序执行引起的内存屏障

　　1、编译器引起的内存屏障：

　　我们都知道，从寄存器里面取一个数要比从内存中取快的多，所以有时候编译器为了编译出优化度更高的程序，就会把一些常用变量放到寄存器中，下次使用该变量的时候就直接从寄存器中取，而不再访问内存，这就出现了问题，当其他线程把内存中的值改变了怎么办？也许你会想，编译器怎么会那么笨，犯这种低级错误呢！是的，编译器没你想象的那么聪明！让我们看下面的代码：（代码摘自《独辟蹊径品内核》）

　　int flag=0;

　　void wait（）{

　　while （ flag == 0 ）

　　sleep（1000）;

　　。。。。。。

　　}

　　void wakeup（）{

　　flag=1;

　　}

　　这段代码表示一个线程在循环等待另一个线程修改flag。 Gcc等编译器在编译的时候发现，sleep（）不会修改flag的值，所以，为了提高效率，它就会把某个寄存器分配给flag，于是编译后就生成了这样的伪汇编代码：

　　void wait（）{

　　movl flag， %eax;

　　while （ %eax == 0）

　　sleep（1000）;

　　}

　　这时，当wakeup函数修改了flag的值，wait函数还在傻乎乎的读寄存器的值而不知道其实flag已经改变了，线程就会死循环下去。由此可见，编译器的优化带来了相反的效果！

　　但是，你又不能说是让编译器放弃这种优化，因为在很多场合下，这种优化带来的性能是十分可观的！那我们该怎么办呢？有没有什么办法可以避免这种情况？答案必须是肯定的，我们可以使用关键字volatile来避免这种情况。

　　

　　volatile int flag = 0;

　　这样，我们就能避免编译器把某个寄存器分配给flag了。

　　好，上面所描述这些，就叫做“编译器优化引起的内存屏障”，是不是懂了点什么？再回去看看概念？

　　2、缓存引起的内存屏障

　　好，既然寄存器能够引起这样的问题，那么缓存呢？我们都知道，CPU会把数据取到一个叫做cache的地方，然后下次取的时候直接访问cache，写入的时候，也先将值写入cache。

　　那么，先让我们考虑，在单核的情况下会不会出现问题呢？先想一下，单核情况下，除了CPU还会有什么会修改内存？对了，是外部设备的DMA！那么，DMA修改内存，会不会引起内存屏障的问题呢？答案是，在现在的体系结构中，不会。

　　当外部设备的DMA操作结束的时候，会有一种机制保证CPU知道他对应的缓存行已经失效了；而当CPU发动DMA操作时，在想外部设备发送启动命令前，需要把对应cache中的内容写回内存。在大多数RISC的架构中，这种机制是通过一写个特殊指令来实现的。在X86上，采用一种叫做总线监测技术的方法来实现。就是CPU和外部设备访问内存的时候都需要经过总线的仲裁，有一个专门的硬件模块用于记录cache中的内存区域，当外部设备对内存写入的时候，就通过这个硬件来判断下改内存区域是否在cache中，然后再进行相应的操作。

　　那么，什么时候才能产生cache引起的内存屏障呢？多CPU？ 是的，在多CPU的系统里面，每个CPU都有自己的cache，当同一个内存区域同时存在于两个CPU的cache中时，CPU1改变了自己cache中的值，但是CPU2却仍然在自己的cache中读取那个旧值，这种结果是不是很杯具呢？因为没有访存操作，总线也是没有办法监测的，这时候怎么办？

　　对阿，怎么办呢？我们需要在CPU2读取操作之前使自己的cache失效，x86下，很多指令能做到这点，如lock前缀的指令，cpuid， iret等。内核中使用了一些函数来完成这个功能：mb（）， rmb（）， wmb（）。用的也是以上那些指令，感兴趣可以去看下内核代码。

　　

　　3、乱序执行引起的内存屏障：

　　我们都知道，超标量处理器越来越流行，连龙芯都是四发射的。超标量实际上就是一个CPU拥有多条独立的流水线，一次可以发射多条指令，因此，很多允许指令的乱序执行，具体怎么个乱序方法，可以去看体系结构方面的书，这里只说内存屏障。

　　指令乱序执行了，就会出现问题，假设指令1给某个内存赋值，指令2从该内存取值用来运算。如果他们两个颠倒了，指令2先从内存中取值运算，是不是就错了？

　　对于这种情况，x86上专门提供了lfence，sfence，和mfence 指令来停止流水线：

　　lfence：停止相关流水线，知道lfence之前对内存进行的读取操作指令全部完成

　　sfence：停止相关流水线，知道lfence之前对内存进行的写入操作指令全部完成

　　mfence：停止相关流水线，知道lfence之前对内存进行的读写操作指令全部完成