为什么GCC不使用负载(无栅栏)和STORE+SFENCE的顺序一致性？

Question

以下是在x86/x86_64中实现顺序一致性的四种方法：

1. 负荷(无栅栏)和STORE+MFENCE
2. 负载(无栅栏)和锁XCHG
3. MFENCE+LOAD和商店(无栅栏)
4. 锁定XADD(0)并存储(无栅栏)

正如这里所写的：http://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/cpp/cpp0xmappings.html

C/C++11操作x86实现

• 加载Seq_Cst: MOV (从内存)
• 存储Seq Cst：(锁) XCHG // alternative: MOV (进入内存)，MFENCE

注意: C/C++11与x86之间有另一种映射，而不是锁定(或栅栏) Seq存储锁/栅栏-- Seq负载：

• Load Seq_Cst: LOCK XADD(0) // alternative: MFENCE，MOV (来自内存)
• 存储Seq Cst: MOV (进入内存)

GCC 4.8.2(GDB in x86_64)对科技委采用第一(1)种方法，即荷载(无栅栏)和STORE+MFENCE：

std::atomic<int> a;
int temp = 0;
a.store(temp, std::memory_order_seq_cst);
0x4613e8  <+0x0058>         mov    0x38(%rsp),%eax
0x4613ec  <+0x005c>         mov    %eax,0x20(%rsp)
0x4613f0  <+0x0060>         mfence

如我们所知，MFENCE = LFENCE+SFENCE。然后我们可以重写这段代码：LOAD(without fence) and STORE+LFENCE+SFENCE

问题：

1. 为什么我们不需要在加载之前使用LFENCE，而需要在存储后使用LFENCE (因为LFENCE只有在加载之前才有意义！)？
2. 为什么GCC不使用方法:加载(无栅栏)和STORE+SFENCE的std::memory_order_seq_cst？

Answer 1

x86所做的唯一的重新排序(对于正常的内存访问)是，它可能会重新排序存储后的负载。

SFENCE保证在栅栏之前的所有商店在栅栏之后完成所有的商店。LFENCE保证在栅栏之前的所有负载都在栅栏之后完成。对于正常的内存访问，默认情况下已经提供了单个SFENCE或LFENCE操作的排序保证。基本上，LFENCE和SFENCE本身仅适用于x86较弱的内存访问模式。

无论是LFENCE、SFENCE还是LFENCE + SFENCE都不能防止存储后的负载被重新排序。是的。

相关参考是英特尔x86架构手册。

Answer 2

考虑以下代码：

#include <atomic>
#include <cstring>

std::atomic<int> a;
char b[64];

void seq() {
  /*
    movl    $0, a(%rip)
    mfence
  */
  int temp = 0;
  a.store(temp, std::memory_order_seq_cst);
}

void rel() {
  /*
    movl    $0, a(%rip)
   */
  int temp = 0;
  a.store(temp, std::memory_order_relaxed);
}

对于原子变量"a"，seq()和rel()在x86体系结构中都是有序的和原子的，因为：

1. mov是一个原子指令。
2. mov是一种遗留指令，Intel承诺为遗留指令提供有序内存语义，使其与总是使用有序内存语义的旧处理器兼容。

不需要栅栏将常量值存储到原子变量中。之所以存在栅栏，是因为std::memory_order_seq_cst意味着所有内存都是同步的，而不仅仅是保存原子变量的内存。

这种效果可以通过以下集合和get函数来演示：

void set(const char *s) {
  strcpy(b, s);
  int temp = 0;
  a.store(temp, std::memory_order_seq_cst);
}

const char *get() {
  int temp = 0;
  a.store(temp, std::memory_order_seq_cst);
  return b;
}

strcpy是一个库函数，如果在运行时可用，它可能使用更新的sse指令。由于sse指令在旧处理器中不可用，因此不需要向后兼容，内存顺序也没有定义。因此，一个线程中的strcpy的结果可能在其他线程中不可直接看到。

上面的set和get函数使用一个原子值来执行内存同步，以便strcpy的结果在其他线程中变得可见。现在，篱笆很重要，但是它们在调用原子：：存储中的顺序并不重要，因为在原子：：store中不需要内部的栅栏。

Answer 3

SFENCE + LFENCE是而不是a StoreLoad屏障，所以问题的前提是不正确的。(还请参阅我从同一个用户为什么是(或者不是？)SFENCE + LFENCE相当于MFENCE？获得的关于同一问题的另一个版本的答案)

• SFENCE可以传递(出现在)较早的负载。(这只是一个StoreStore屏障)。
• LFENCE可以通过早期的商店。(负载不能在两个方向通过: LoadLoad屏障)。
• 负载可以通过SFENCE (但是存储不能通过LFENCE，所以它既是一个LoadStore屏障，也是一个LoadLoad屏障)。

LFENCE+SFENCE不包括任何能阻止存储在稍后加载后才被缓冲的内容。MFENCE 可以通过来防止这种情况发生。

普林的博客文章用图表更详细地解释了StoreLoad障碍是如何特殊的，并有一个工作代码的实际示例，演示了不使用MFENCE的重新排序。任何对内存排序感到困惑的人都应该从这个博客开始。

x86有一个强记忆模型，每个普通存储都有发布语义，每个普通负载都有获取语义。这篇文章有详细信息。

LFENCE和SFENCE 装载/储存，它们是弱有序的，并且绕过缓存。

如果这些链接死了，我的对另一个类似问题的回答中还有更多的信息。