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Linux Kernel Memory Barriers

本文是对 Linux Kernel Memory Barriers 一文的总结。

Abstract Memory Access Model

CPU 可以对 Load 和 Store 进行重排，但是有一些约束条件：

  • 两个 load，如果后一个 load 的地址依赖前一个 load 的结果（Q = LOAD P, D = LOAD *Q），那么会按顺序执行（Alpha 除外，它允许 Split Cache）
  • 地址重合的 load 和 store 会按顺序执行：a = LOAD *X, STORE *X = b
  • 部分指令集架构会增加额外的限制，比如 x86 只允许 load 重排到 store 前面（Store Buffer）：STORE *D = Z, X = LOAD *A 实际的执行顺序可能是 X = LOAD *A, STORE *D = Z

What are memory barriers?

Memory barrier 的类型：

  • store barrier：barrier 之前的 store 会在 barrier 之后的 store 之前完成
  • load barrier：barrier 之前的 load 会在 barrier 之后的 load 之前完成
  • general barrier：barrier 之前的 load/store 会在 barrier 之后的 load/store 之前完成
  • acquire: acquire 之后的 load/store 会在 acquire 之后完成，一般用于锁的 lock，保证对被保护的对象的访问在临界区内
  • release: release 之前的 load/store 会在 release 之前完成，一般用于锁的 unlock，保证对被保护的对象的访问在临界区内

Control dependency：如果一个分支跳转与否，依赖某个 load 的结果，那么这个分支内的指令对这个 load 就有 Control dependency：

q = READ_ONCE(a);
if (q) {
    p = READ_ONCE(b);
}

READ_ONCE 相当于 volatile read，避免编译器的优化。这里对 b 的读取和对 a 的读取有 Control dependency，但是它们依然可以重排。只有在分支内的写，因为有副作用，才不会被重排到 load 之前：

q = READ_ONCE(a);
if (q) {
    WRITE_ONCE(b, 1);
}

但是 Control dependency 比较脆弱，容易因为编译器的优化把分支去掉，导致 dependency 失效，此时还是需要添加显式的 barrier。

Explicit kernel barriers

内核提供了 Compiler barrier：barrier()，阻止编译器把 barrier 前的代码和 barrier 后的代码进行重排。定义如下：

// in include/linux/compiler.h
# define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

READ_ONCE 和 WRITE_ONCE：volatile read/write，阻止编译器优化。定义如下：

// in include/asm-generic/rwonce.h
/*
 * Use __READ_ONCE() instead of READ_ONCE() if you do not require any
 * atomicity. Note that this may result in tears!
 */
#ifndef __READ_ONCE
#define __READ_ONCE(x)  (*(const volatile __unqual_scalar_typeof(x) *)&(x))
#endif

#define READ_ONCE(x)                            \
({                                  \
    compiletime_assert_rwonce_type(x);              \
    __READ_ONCE(x);                         \
})

#define __WRITE_ONCE(x, val)                        \
do {                                    \
    *(volatile typeof(x) *)&(x) = (val);                \
} while (0)

#define WRITE_ONCE(x, val)                      \
do {                                    \
    compiletime_assert_rwonce_type(x);              \
    __WRITE_ONCE(x, val);                       \
} while (0)

特别地，在 Alpha 上，READ_ONCE 还会自带一个 barrier：

// in arch/alpha/include/asm/rwonce.h
/*
 * Alpha is apparently daft enough to reorder address-dependent loads
 * on some CPU implementations. Knock some common sense into it with
 * a memory barrier in READ_ONCE().
 *
 * For the curious, more information about this unusual reordering is
 * available in chapter 15 of the "perfbook":
 *
 *  https://kernel.org/pub/linux/kernel/people/paulmck/perfbook/perfbook.html
 *
 */
#define __READ_ONCE(x)                          \
({                                  \
    __unqual_scalar_typeof(x) __x =                 \
        (*(volatile typeof(__x) *)(&(x)));          \
    mb();                               \
    (typeof(x))__x;                         \
})

READ_ONCE/WRITE_ONCE 比较接近 C/C++ 的 atomic_load/atomic_store（指定 relaxed order）。

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