内存屏障(Memory Barriers)

 参考wikipedia的定义：

      Memory barrier, also known as membar or memory fence or fence instruction, is a type of barrier and a class of instruction which causes a central processing unit (CPU) or compiler to enforce an ordering constraint on memory operations issued before and after the barrier instruction.

内存屏障机制可以用来解决很多问题。


一、解决多核Cache问题

当代计算机系统架构中有Cache的概念，而Cache会引入一些问题。内存屏障就是解决这些问题的一个方法。
强烈推荐看《Memory Barriers: a Hardware View for Software Hackers》




先来个简单的例子，做多核CPU系统上，运行程序：

有全局变量a，b 它们都被初始化为 0

Processor #0:

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

Processor #1:

void bar(void)
{
   while(b == 0) continue;
   printk("%d\n",a);
}

上面的例子中，期望输出“1”，但结果并不总是这样，有时会输出"0"。
一个可能的序列是这样：

a在CPU_1的cache里
b在CPU_0的cache里

1. CPU_0 执行 a = 1，
   为了完成对a的写操作，CPU_0 把value“1”放到buffer中，同时给CPU_1发送“read invalidate”，告诉别人a不能读，我要改它
2. CPU_1 执行 while(b==0) continue;  
   为了完成对b的读操作，CPU_1 发出"read"给其他CPU，告诉别人，别改b，我要读它
3. CPU_0 执行 b = 1
   b在CPU_0的cache里，直接更新b在cache里的值

4. CPU_0 接收到了CPU_2的“read”
   CPU_0把“b”在Cache里的值share给CPU_1

5. CPU_1 接收到“b”的share，把“b”放在自己的cache中

6. CPU_1 执行while(b==0) continue;
   再次去cache里拿“b”的值，为1， 从while循环中跳出

7. CPU_1 执行printk("%d\n",a);
   对a执行读取操作，一看a在cache里，为0，拿出来，输出“0”

8. CPU_1 收到 CPU_0 的“read invalidate”信息，把对“a”的cache控制权给CPU_0。
   此时太晚了，CPU_1已经使用了“a”的旧值

9. CPU_0接收到 “a”的cache控制权，更新其值为“1”
    
使用内存屏障，可以解决上述问题
Processor #2:

a = 22;
smp_mb();
b = 1;

二、解决gcc编译优化导致的问题

三、解决多核同步问题

四、API
五、不同架构上的实现