编译乱序（Compiler Reordering）

本文转自 http://www.wowotech.net/kernel_synchronization/453.html。蜗窝出品，必属精品。

编译器（compiler）的工作就是优化我们的代码以提高性能。这包括在不改变程序行为的情况下重新排列指令。因为 compiler 不知道什么样的代码需要线程安全（thread-safe），所以 compiler 假设我们的代码都是单线程执行（single-threaded），并且进行指令重排优化并保证是单线程安全的。因此，当你不需要 compiler 重新排序指令的时候，你需要显式告诉 compiler，我不需要重排。否则，它可不会听你的。本篇文章中，我们一起探究 compiler 关于指令重排的优化规则。

注：测试使用 aarch64-linux-gnu-gcc 版本：7.3.0

编译器指令重排（Compiler Instruction Reordering）

compiler 的主要工作就是将对人们可读的源码转化成机器语言，机器语言就是对 CPU 可读的代码。因此，compiler 可以在背后做些不为人知的事情。我们考虑下面的 C语言代码：

int a, b;

void foo(void)
{
    a = b + 1;
    b = 0;
}

使用 aarch64-linux-gnu-gcc 在不优化代码的情况下编译上述代码，使用 objdump 工具查看 foo() 反汇编结果：

:
    ...
    ldr w0, [x0]       //load b to w0
    add w1, w0, #0x1
    ...
    str w1, [x0]       //a = b + 1
    ...
    str wzr, [x0]      //b = 0

我们应该知道 Linux 默认编译优化选项是 -O2，因此我们采用 -O2 优化选项编译上述代码，并反汇编得到如下汇编结果：

:
    ...
    ldr w2, [x0]       //load b to w2
    str wzr, [x0]      //b = 0
    add w0, w2, #0x1
    str w0, [x1]       //a = b + 1

比较优化和不优化的结果，我们可以发现：在不优化的情况下，a 和 b 的写入内存顺序符合代码顺序（program order）；但是 -O2 优化后，a 和 b 的写入顺序和 program order 是相反的。-O2 优化后的代码转换成 C 语言可以看作如下形式：

int a, b;
 
void foo(void)
{
    register int reg = b;

    b = 0;
    a = reg + 1;
}

这就是 compiler reordering（编译器重排）。为什么可以这么做呢？对于单线程来说，a 和 b 的写入顺序，compiler 认为没有任何问题。并且最终的结果也是正确的（a == 1 && b == 0）。这种 compiler reordering 在大部分情况下是没有问题的。但是在某些情况下可能会引入问题。例如我们使用一个全局变量 flag 标记共享数据 data 是否就绪。由于 compiler reordering，可能会引入问题。考虑下面的代码（无锁编程）：

int flag, data;

void write_data(int value)
{
    data = value;
    flag = 1;
}

如果 compiler 产生的汇编代码是 flag 比 data 先写入内存，那么，即使是单核系统上，我们也会有问题。在 flag 置 1 之后，data 写 45 之前，系统发生抢占。另一个进程发现 flag 已经置 1，认为 data 的数据已经准备就绪。但是实际上读取 data 的值并不是 45。为什么 compiler 还会这么操作呢？因为，compiler 并不知道 data 和 flag 之间有严格的依赖关系。这种逻辑关系是我们人为强加的。我们如何避免这种优化呢？

显式编译器屏障（Explicit Compiler Barriers）

为了解决上述变量之间存在依赖关系导致 compiler 错误优化。compiler 为我们提供了编译器屏障（compiler barriers），可用来告诉 compiler 不要 reorder。我们继续使用上面的 foo() 函数作为演示实验，在代码之间插入 compiler barriers。

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")
 
int a, b;
 
void foo(void)
{
    a = b + 1;
    barrier();
    b = 0;
}

barrier() 就是 compiler 提供的屏障，作用是告诉 compiler 内存中的值已经改变，之前对内存的缓存（缓存到寄存器）都需要抛弃，barrier() 之后的内存操作需要重新从内存 load，而不能使用之前寄存器缓存的值。并且可以防止 compiler 优化 barrier() 前后的内存访问顺序。barrier() 就像是代码中的一道不可逾越的屏障，barrier() 前的 load/store 操作不能跑到 barrier() 后面；同样，barrier() 后面的 load/store 操作不能在 barrier() 之前。依然使用 -O2 优化选项编译上述代码，反汇编得到如下结果：

:
    ...
    ldr w2, [x0]       //load b to w2
    add w2, w2, #0x1
    str w2, [x1]       //a = a + 1
    str wzr, [x0]      //b = 0
    ...

我们可以看到插入 compiler barriers 之后，a 和 b 的写入顺序和 program order 一致。因此，当我们的代码中需要严格的内存顺序，就需要考虑 compiler barriers。

隐式编译器屏障（Implied Compiler Barriers）

除了显示的插入 compiler barriers 之外，还有别的方法阻止 compiler reordering。例如 CPU barriers 指令，同样会阻止 compiler reordering。后续我们再考虑 CPU barriers。除此以外，当某个函数内部包含 compiler barriers 时，该函数也会充当 compiler barriers 的作用。即使这个函数被 inline，也是这样。例如上面插入 barrier() 的 foo() 函数，当其他函数调用 foo() 时，foo() 就相当于 compiler barriers。考虑下面的代码：

int a, b, c;

void fun(void)
{
    c = 2;
    barrier();
}

void foo(void)
{
    a = b + 1;
    fun(); /* fun() call acts as compiler barriers */
    b = 0;
}

fun() 函数包含 barrier()，因此 foo() 函数中 fun() 调用也表现出 compiler barriers 的作用，同样可以保证 a 和 b 的写入顺序。如果 fun() 函数不包含 barrier()，结果又会怎么样呢？实际上，大多数的函数调用都表现出 compiler barriers 的作用。但是，这不包含 inline 的函数。因此，fun() 如果被 inline 进 foo()，那么 fun() 就不具有 compiler barriers 的作用。如果被调用的函数是一个外部函数，其副作用会比 compiler barriers 还要强。因为 compiler 不知道函数的副作用是什么。它必须忘记它对内存所作的任何假设，即使这些假设对该函数可能是可见的。我们看一下下面的代码片段，printf() 一定是一个外部的函数。

int a, b;

void foo(void)
{
    a = 5;
    printf("smcdef");
    b = a;
}

同样使用 -O2 优化选项编译代码，objdump 反汇编得到如下结果：

:
    ...
    mov w2, #0x5              //#5
    str w2, [x19]             //a = 5
    bl 640 <__printf_chk@plt> //printf()
    ldr w1, [x19]             //reload a to w1
    ...
    str w1, [x0]              //b = a

compiler 不能假设 printf() 不会使用或者修改 a 变量。因此在调用 printf() 之前会将 a 写 5，以保证 printf() 可能会用到新值。在 printf() 调用之后，重新从内存中 load a 的值，然后赋值给变量 b。重新 load a 的原因是 compiler 也不知道 printf() 会不会修改 a 的值。

因此，我们可以看到即使存在 compiler reordering，但是还是有很多限制。当我们需要考虑 compiler barriers 时，一定要显示的插入 barrier()，而不是依靠函数调用附加的隐式 compiler barriers。因为，谁也无法保证调用的函数不会被 compiler 优化成 inline 方式。

barrier() 除了防止编译乱序，还能做什么

barriers() 作用除了防止 compiler reordering 之外，还有什么妙用吗？我们考虑下面的代码片段：

int run = 1;
 
void foo(void)
{
    while (run)
        ;
}

run 是个全局变量，foo() 在一个进程中执行，一直循环。我们期望的结果是 foo() 一直等到其他进程修改 run 的值为 0 才退出循环。实际 compiler 编译的代码和我们会达到我们预期的结果吗？我们看一下汇编代码：

0000000000000748 :
748: 90000080 adrp x0, 10000
74c: f947e800 ldr x0, [x0, #4048]
750: b9400000 ldr w0, [x0]            //load run to w0
754: d503201f nop
758: 35000000 cbnz w0, 758  //if (w0) while (1);
75c: d65f03c0 ret

汇编代码可以转换成如下的 C 语言形式：

int run = 1;
 
void foo(void)
{
    register int reg = run;

    if (reg)
        while (1)
            ;
}

compiler 首先将 run 加载到一个寄存器 reg 中，然后判断 reg 是否满足循环条件，如果满足就一直循环。但是循环过程中，寄存器 reg 的值并没有变化。因此，即使其他进程修改 run 的值为 0，也不能使 foo() 退出循环。很明显，这不是我们想要的结果。我们继续看一下加入 barrier() 后的结果：

0000000000000748 :
748: 90000080 adrp x0, 10000
74c: f947e800 ldr x0, [x0, #4048]
750: b9400001 ldr w1, [x0]            //load run to w0
754: 34000061 cbz w1, 760 
758: b9400001 ldr w1, [x0]            //load run to w0
75c: 35ffffe1 cbnz w1, 758  //if (w0) goto 758
760: d65f03c0 ret

可以看到加入 barrier() 后的结果真是我们想要的。每一次循环都会从内存中重新 load run 的值。因此，当有其他进程修改 run 的值为 0 的时候，foo() 可以正常退出循环。为什么加入 barrier() 后的汇编代码就是正确的呢？因为 barrier() 作用是告诉 compiler 内存中的值已经变化，后面的操作都需要重新从内存 load，而不能使用寄存器缓存的值。因此，这里的 run 变量会从内存重新 load，然后判断循环条件。这样，其他进程修改 run 变量，foo() 就可以看得见了。

在 Linux kernel 中，提供了 cpu_relax() 函数，该函数在 ARM64 平台定义如下：

static inline void cpu_relax(void)
{
    asm volatile("yield" ::: "memory");
}

我们可以看出，cpu_relax() 是在 barrier() 的基础上又插入一条汇编指令 yield。在 kernel 中，我们经常会看到一些类似上面举例的 while 循环，循环条件是个全局变量。为了避免上述所说问题，我们就会在循环中插入 cpu_relax() 调用。

int run = 1;

void foo(void)
{
    while (run)
        cpu_relax();
}

当然也可以使用 Linux 提供的 READ_ONCE()。例如，下面的修改也同样可以达到我们预期的效果。

int run = 1;
 
void foo(void)
{
    while (READ_ONCE(run)) /* similar to while (*(volatile int *)&run) */
        ;
}

当然你也可以修改 run 的定义为 volatile int run，就会得到如下代码。同样可以达到预期目的。

volatile int run = 1;

void foo(void)
{
    while (run)
        ;
}