解读ARM内存模型，透视指令重排的内在逻辑

2024-01-15 09:24:01

万物皆有规律，遵循规律才能保持有序和稳定。计算机的指令执行也遵循着一定的规则，这些规则构成了计算机的内存模型。在ARM体系结构中，指令执行的顺序并不总是与程序中编写的顺序一致，这种现象称为指令重排。指令重排的发生可能导致程序出现意想不到的行为，甚至崩溃。

为了防止指令重排影响代码逻辑，开发者需要在代码中插入合适的内存屏障，以强制执行特定的执行顺序。本文将深入解析指令重排的本质和副作用，并通过一个实验演示内存屏障的必要性。

指令重排的本质

指令重排是指CPU为了优化性能而对指令执行顺序进行调整。在现代CPU中，指令执行流水线技术被广泛采用，它可以同时执行多条指令，以提高指令执行效率。当一条指令依赖于另一条指令的结果时，CPU可能会对指令顺序进行调整，以便先执行依赖指令，再执行后续指令。

指令重排可以提高CPU的性能，但它也可能导致程序出现意想不到的行为。例如，考虑以下代码片段：

int x = 0;
int y = 0;

x = 1;
y = x;

这段代码的预期行为是将x的值赋值给y。然而，如果CPU对指令顺序进行重排，则可能导致y的值始终为0。这是因为CPU可能会先执行y = x，然后执行x = 1。

指令重排的副作用

指令重排可能导致程序出现各种各样的问题，包括：

数据损坏：指令重排可能会导致数据在不同的线程或进程之间出现不一致。例如，一个线程可能正在写入一个共享变量，而另一个线程正在读取该变量。如果CPU对指令顺序进行重排，则可能导致读取线程读取到错误的值。
死锁：指令重排可能会导致死锁。例如，两个线程可能都在等待对方释放一个锁。如果CPU对指令顺序进行重排，则可能导致两个线程都无法获得锁，从而导致死锁。
程序崩溃：指令重排可能会导致程序崩溃。例如，一个程序可能正在访问一个无效的内存地址。如果CPU对指令顺序进行重排，则可能导致程序在访问该内存地址时崩溃。

内存屏障的必要性

为了防止指令重排影响代码逻辑，开发者需要在代码中插入合适的内存屏障。内存屏障是一种特殊的指令，它可以强制执行特定的执行顺序。内存屏障可以分为两类：

读写屏障：读写屏障可以防止指令在读写内存之前或之后执行。例如，在上面的代码片段中，如果在x = 1之前插入一个读写屏障，则可以确保y的值始终为1。
写写屏障：写写屏障可以防止指令在写入内存之前或之后执行。例如，如果在x = 1和y = x之间插入一个写写屏障，则可以确保y的值始终为1。

内存屏障的使用场景

内存屏障广泛用于多线程编程和操作系统中。在多线程编程中，内存屏障可以防止数据在不同的线程之间出现不一致。在操作系统中，内存屏障可以防止指令在内核和用户空间之间执行。

实验演示

为了演示内存屏障的必要性，我们可以进行一个简单的实验。我们将创建一个共享变量，并使用两个线程来访问该变量。一个线程负责将该变量的值增加1，另一个线程负责读取该变量的值。如果在两个线程之间插入一个内存屏障，则两个线程将始终读取到正确的值。否则，两个线程可能会读取到错误的值。

实验代码如下：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int x = 0;

void *thread1(void *arg) {
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    x++;
  }
  return NULL;
}

void *thread2(void *arg) {
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    int y = x;
    printf("y = %d\n", y);
  }
  return NULL;
}

int main() {
  pthread_t t1, t2;

  pthread_create(&t1, NULL, thread1, NULL);
  pthread_create(&t2, NULL, thread2, NULL);

  pthread_join(t1, NULL);
  pthread_join(t2, NULL);

  return 0;
}