linux 内核同步互斥技术之内存屏障

内存屏障

内存屏障（ memory barrier）是一种保证内存访问顺序的方法，用来解决下面这些内存访问乱序问题。
（1）编译器编译代码时可能重新排列汇编指令，使编译出来的程序在处理器上运行更快，但是有时候优化的结果可能不符合程序员的意图。
（2）现代的处理器采用超标量体系结构和乱序执行技术，能够在一个时钟周期并行执行多条指令。处理器按照程序顺序取出一批指令，分析找出没有依赖关系的指令，发给多个独立的执行单元并行执行，最后按照程序顺序提交执行结果。用一句话总结就是“顺序取指令，乱序执行，顺序提交执行结果”。有些情况不允许乱序执行，必须严格按照顺序，可是处理器不能识别出依赖关系。常见的情况是处理器访问外围设备控制器的寄存器，例如查询有些外围设备的状态值，需要先向控制寄存器写入数值，然后从状态寄存器读取状态值。
（3）在多处理器系统中，硬件工程师使用存储缓冲区、使无效队列协助缓存和缓存一致性协议实现高性能，引入了处理器之间的内存访问乱序问题。一个处理器修改数据，可能不会把数据立即同步到自己的缓存或者其他处理器的缓存，导致其他处理器不能立即看到最新的数据。注意：处理器的乱序执行不会造成处理器之间的内存访问乱序问题，因为执行结果是按照程序顺序提交的。

内核支持 2 种内存屏障。
（1）编译器屏障。
（2）处理器内存屏障。
 

编译器屏障

为了提高程序的执行速度，编译器优化代码，对于不存在数据依赖或控制依赖的汇编指令，重新排列它们的顺序，但是有时候优化产生的指令顺序不符合程序员的真实意图，程序员需要使用编译器屏障指导编译器。
编译器屏障是：
barrier();
它阻止编译器把屏障一侧的指令移动到另一侧，既不能把屏障前面的指令移动到屏障后面，也不能把屏障后面的指令移动到屏障前面。编译器屏障也称为编译器优化屏障。
内核定义了宏 READ_ONCE()、 WRITE_ONCE()和 ACCESS_ONCE()，它们可以看作barrier()的弱化形式，只阻止编译器对单个变量优化。 C 语言的关键字“ volatile”（易变的）也可以阻止编译器对单个变量优化。
例如想使用禁止内核抢占的方法保护临界区：
preempt_disable();
//临界区
preempt_enable();
编译器发现临界区和前后的代码不存在数据依赖关系，就会优化代码，可能把代码重新排列如下：
//临界区
preempt_disable();
preempt_enable();
也可能把代码重新排列如下：
preempt_disable();
preempt_enable();
//临界区
这两种排列都是错误的，导致临界区不受保护。为了阻止编译器错误地重排指令，在禁止内核抢占和开启内核抢占的宏里面添加了编译器优化屏障：
include/linux/preempt.h
#define preempt_disable() \
do { \
    preempt_count_inc(); \
    barrier(); \
} while (0)
#define preempt_enable() \
do { \
    barrier(); \
    if (unlikely(preempt_count_dec_and_test())) \
        __preempt_schedule(); \
} while (0)
GCC 编译器定义的宏“ barrier()”如下：
include/linux/compiler-gcc.h
#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")
关键字“ __volatile__”告诉编译器：禁止优化代码，不要改变 barrier()前面的代码块、barrier()和后面的代码块这 3 个代码块的顺序。
嵌入式汇编代码中的破坏列表（ clobber list）“ memory”告诉编译器：内存中变量的值可能变化，不要继续使用加载到寄存器中的值，应该重新从内存中加载变量的值。
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