编译器cpu乱序

‘壹’ 一文了解Memory barrier（内存屏障）

程序运行时，内存实际访问顺序与程序代码编写的顺序可能不一致，这称为内存乱序访问。内存乱序访问是为了提升程序性能。它主要发生在编译器优化和多线程环境下。使用内存屏障（Memory barrier）可确保CPU或编译器在内存访问上有序。内存屏障分编译时内存屏障和运行时内存屏障两种类型。

编译时内存乱序访问可能由编译器优化引起，如gcc的O2或O3选项优化顺序。使用编译器barrier可避免此类问题。Linux内核提供函数barrier()保证之前内存访问先于之后完成。编译器barrier通过特定指令实现，如在x86-64架构下，barrier()函数实现包含以下代码：

在代码中加入编译器barrier，可避免编译器优化导致的内存乱序。使用volatile关键字也可以避免编译时乱序，同时确保内存访问有序。在Linux内核中，ACCESS_ONCE宏用于防止编译器对连续实例进行指令重排。

运行时内存乱序访问在多CPU环境下较为常见。CPU通过cache提高性能，但在数据不一致时，可能产生乱序问题。此时，需要CPU内存屏障（如mb、wmb、rmb）确保数据一致性。

多CPU情况下，内存乱序访问可通过创建线程测试代码来验证。程序运行时，两个线程可能在不同CPU上，内存乱序会导致断言失败。使用CPU内存屏障可解决此问题，确保数据访问有序。

内存屏障实际应用包括多线程编程、无锁数据结构等场景。在单CPU环境下，内存操作通常有序；在Alpha等处理器上，需使用数据依赖屏障。在Linux内核中，包括编译器屏障（barrier）、CPU内存屏障（如mb、wmb、rmb）等。

总结，内存屏障是解决内存乱序访问的关键工具，根据具体环境选择合适类型，确保程序正确执行。在实际开发中，开发者可能无需直接使用内存屏障，但了解其原理有助于编写高效、正确的多线程程序。

‘贰’ C++ 内存序、内存模型；CPU 内存模型、内存屏障（1）

在编程世界中，特别是在多线程环境下，理解C++内存序、内存模型和CPU内存模型以及内存屏障至关重要。这不仅仅是理论知识的堆砌，更是实际应用中避免错误和提升系统性能的关键。在接下来的篇章中，我们将逐步探索这背后的原因，以及如何通过这些概念和工具来保障代码的正确执行。

一、为何需要内存序、内存模型和内存屏障

1. **编译器的指令重排**：编译器在优化代码时，可能会对指令进行重新排序，以求得更高的执行效率。这种优化可能导致原本代码的执行顺序与预期不符，引发内存乱序问题。

2. **处理器执行期间的指令重排**：即使编译器没有对代码进行重排，处理器在执行时也可能重新安排指令顺序，尤其是在管线（pipeline）结构中。这种内部的重排同样可能导致内存访问的非预期顺序。

3. **处理器缓存不一致引发的数据不可见**：CPU和内存之间存在缓存机制，以提高数据访问速度。然而，多个处理器核心共享缓存可能导致数据一致性问题，进而引发内存乱序。

二、内存序、内存模型与内存屏障

理解内存序、内存模型和内存屏障，有助于开发者编写更安全、高效的多线程程序。内存序定义了数据在内存中的预期访问顺序，而内存模型则描述了处理器如何处理多线程环境中的内存访问。内存屏障则是特定指令，强制处理器在执行之前或之后暂停重排序，确保特定操作的顺序。

通过合理使用内存屏障，开发者可以在特定点强制执行内存序规则，从而避免内存乱序带来的问题。在多线程环境下，合理设计内存访问模式，结合内存序和内存屏障的使用，可以显着减少潜在的竞态条件和数据不一致性。

三、CPU提供的内存模型与内存屏障接口

深入探讨CPU提供的内存模型和内存屏障接口，有助于开发者更好地理解处理器内部的内存访问行为。CPU内存模型描述了处理器如何处理内存访问的顺序，而内存屏障接口则提供了编程语言中实现内存序控制的手段。

了解这些机制不仅能够帮助开发者编写更加健壮的多线程程序，还能够提升程序在各种硬件平台上的兼容性和性能。通过结合内存序、内存模型和内存屏障的知识，开发者能够有效避免常见的多线程编程陷阱，构建出更加可靠、高效的软件系统。