linux mb()/rmb()/wmb()

star990

在阅读linux 2.6.23内核代码中遇到mb()/rmb()/wmb() 这几个宏，不明白如何使用，
在分析其汇编代码后，大概的了解了这和内存屏障有关，代码如下：
#define X86_FEATURE_XMM2 (0*32+26) /* Streaming SIMD Extensions-2 */
......
#define mb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define rmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2)
#ifdef CONFIG_X86_OOSTORE
/* Actually there are no OOO store capable CPUs for now that do SSE,
but make it already an possibility. */
#define wmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM)
#else
#define wmb() __asm__ __volatile__ ("": : :"memory")
#endif
.......
/*
* Alternative instructions for different CPU types or capabilities.
*
* This allows to use optimized instructions even on generic binary
* kernels.
*
* length of oldinstr must be longer or equal the length of newinstr
* It can be padded with nops as needed.
*
* For non barrier like inlines please define new variants
* without volatile and memory clobber.
*/
#define alternative(oldinstr, newinstr, feature) \
asm volatile ("661:\n\t" oldinstr "\n662:\n" \
      ".section .altinstructions,\"a\"\n" \
      "   .align 4\n" \
      "   .long 661b\n"          /* label */ \
      "   .long 663f\n"    /* new instruction */ \
      "   .byte %c0\n"          /* feature bit */ \
      "   .byte 662b-661b\n"    /* sourcelen */ \
      "   .byte 664f-663f\n"    /* replacementlen */ \
      ".previous\n" \
      ".section .altinstr_replacement,\"ax\"\n" \
      "663:\n\t" newinstr "\n664:\n" /* replacement */\
      ".previous" :: "i" (feature) : "memory")
内存屏障主要解决的问题是编译器的优化和CPU的乱序执行。
编译器在优化的时候，生成的汇编指令可能和c语言程序的执行顺序不一样，在需要程序严格按照c语言顺序执行时，需要显式的告诉编译不需要优化，这在linux下是通过barrier()宏完成的，它依靠volidate关键字和memory关键字，前者告诉编译barrier()周围的指令不要被优化，后者作用是告诉编译器汇编代码会使内存里面的值更改，编译器应使用内存里的新值而非寄存器里保存的老值。
同样，CPU执行会通过乱序以提高性能。汇编里的指令不一定是按照我们看到的顺序执行的。linux中通过mb()系列宏来保证执行的顺序。具体做法是通过mfence/lfence指令（它们是奔4后引进的，早期x86没有）以及x86指令中带有串行特性的指令（这样的指令很多，例如linux中实现时用到的lock指令，I/O指令，操作控制寄存器、系统寄存器、调试寄存器的指令、iret指令等等）。简单的说，如果在程序某处插入了mb()/rmb()/wmb()宏，则宏之前的程序保证比宏之后的程序先执行，从而实现串行化。wmb的实现和barrier()类似，是因为在x86平台上，写内存的操作不会被乱序执行。
实际上在RSIC平台上，这些串行工作都有专门的指令由程序员显式的完成，比如在需要的地方调用串行指令，而不像x86上有这么多隐性的带有串行特性指令（例如lock指令）。所以在risc平台下工作的朋友通常对串行化操作理解的容易些。


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