SMP编程模型和内存一致性：在多CPU系统中确保数据完整性

2024-03-23 14:34:21

SMP 编程模型和内存一致性：确保多 CPU 系统中的数据完整性

在多处理器系统中，多个 CPU 共享物理内存，这需要一种机制来协调它们对内存的访问，以确保每个 CPU 看到数据的最新副本。在 Linux 内核中，内存屏障用于实现这种协调。本文将深入探讨 SMP 编程模型和内存一致性的概念，并解释 smp_wmb 内存屏障在确保数据一致性中的关键作用。

对称多处理 (SMP) 系统中的每个 CPU 都有自己的高速缓存，并且可以访问共享的物理内存。为了防止 CPU 看到内存的不同副本，需要一个机制来协调它们的访问。

在 Linux 内核中，内存屏障 是一种特殊的汇编指令，用于告诉 CPU 在继续执行之前，确保所有先前的内存操作都已完成。内存屏障可确保 CPU 不会重新排序内存操作，并强制它们按预期顺序执行。

原子操作 是一次性完成的操作，不能被中断。虽然原子操作保证了操作本身的不可分割性，但它们并不保证内存可见性 。内存可见性是指一个 CPU 对内存所做的更改对其他 CPU 立即可见。

由于 CPU 具有自己的高速缓存，因此更改可能不会立即写入主内存。这意味着其他 CPU 在其高速缓存中看到的可能是该位置的旧值。

smp_wmb 内存屏障 是一种特殊的内存屏障，用于确保在执行屏障之前执行的任何内存写入操作都对其他 CPU 可见。这对于确保数据在所有 CPU 之间保持一致性至关重要。

spin_lock_irqsave 宏用于获取自旋锁，它是一种用于防止其他 CPU 访问共享资源的机制。当一个 CPU 获得自旋锁时，它会禁用中断。

然而，自旋锁并不能保证内存可见性 。即使其他 CPU 已被禁止抢占，它们仍可能在高速缓存中看到受保护资源的旧副本。因此，即使使用了 spin_lock_irqsave，smp_wmb 内存屏障仍然是必需的，以确保对 kfifo 所做的更改对所有 CPU 可见。

内存屏障对于确保 SMP 系统中多个 CPU 之间的数据一致性至关重要。smp_wmb 内存屏障可确保在执行屏障之前执行的任何内存写入操作都对其他 CPU 可见。即使使用了自旋锁，也需要 smp_wmb 内存屏障来保证内存可见性。

什么是内存屏障？

内存屏障是强制 CPU 按特定顺序执行内存操作的汇编指令，确保所有先前的内存操作都已完成。
为什么原子操作不保证内存可见性？

原子操作确保操作本身的不可分割性，但不保证对其他 CPU 立即可见，因为更改可能被缓存。
smp_wmb 内存屏障的作用是什么？

smp_wmb 内存屏障确保在执行屏障之前执行的任何内存写入操作都对其他 CPU 可见。
即使使用自旋锁，为什么还需要 smp_wmb 内存屏障？

自旋锁防止其他 CPU 访问资源，但不保证内存可见性，因此需要 smp_wmb 内存屏障来确保更改对其他 CPU 可见。
如何使用 smp_wmb 内存屏障？

smp_wmb 内存屏障通过汇编指令或编译器内置函数使用。