介紹ARM存儲(chǔ)一致性模型的相關(guān)知識(shí)

前面我們分享了中斷及ARM體系中對(duì)中斷的處理、GIC-600以及redistributor的相關(guān)知識(shí)，本篇將介紹ARM存儲(chǔ)一致性模型的相關(guān)知識(shí)。

按照慣例，先講基礎(chǔ)原理，再說(shuō)ARM的相關(guān)部分。

今天要說(shuō)的這個(gè)是存儲(chǔ)一致性（memory consistency），不要跟前面講過(guò)緩存一致性（cache coherence）混淆了。緩存一致性協(xié)議解決的是對(duì)單個(gè)存儲(chǔ)器地址的訪問(wèn)之間如何排序的問(wèn)題，而對(duì)于不同地址的訪問(wèn)并不是緩存一致性協(xié)議所要考慮的問(wèn)題。存儲(chǔ)一致性問(wèn)題在任何具有或不具有高速緩存的系統(tǒng)中都存在，雖然高速緩存的存在有可能進(jìn)一步加劇存儲(chǔ)一致性問(wèn)題。

存儲(chǔ)器模型（memory model）又稱(chēng)為存儲(chǔ)一致性模型。用于定義系統(tǒng)中對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)需要遵守的原則，只要軟件和硬件都遵循該原則，就能保證多核程序能運(yùn)行得到確切的結(jié)果。 對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，通常直覺(jué)上會(huì)隱式地假定存儲(chǔ)器操作是按一定次序的。來(lái)看下面的例子，假定有兩個(gè)線程P0和P1。



在線程P0中，執(zhí)行S1，賦值data為5；執(zhí)行S2，賦值dataIsReady為1。在線程P1中，等待dataIsReady這個(gè)變量變?yōu)?，然后把data賦值給其它變量。在我們直觀看來(lái)，S1先于S2執(zhí)行，通過(guò)dataIsReady來(lái)阻塞P1的S3執(zhí)行，那么執(zhí)行S4的時(shí)候，拿到的data一定是5。

實(shí)際上，未必是這樣，可能S2的結(jié)果早于S1傳播到P1，S4拿到的data就有可能是舊值，而不是5！ 在我們的直觀感覺(jué)里，對(duì)于變量的寫(xiě)操作會(huì)即時(shí)傳播，或者說(shuō)是原子性的，即P0的寫(xiě)操作必須以不能分割的步驟傳播到P1。我們把關(guān)于存儲(chǔ)器訪問(wèn)次序的隱式期望表示為：來(lái)自一個(gè)處理器的存儲(chǔ)器訪問(wèn)應(yīng)該以程序的次序執(zhí)行，并且每個(gè)訪問(wèn)的執(zhí)行必須是原子性的。

這樣一種期望被正式定義為順序一致性（SC）模型。順序一致性模型雖然能?chē)?yán)格的解決存儲(chǔ)訪問(wèn)次序問(wèn)題，但是由于過(guò)于嚴(yán)厲，會(huì)產(chǎn)生巨大的性能開(kāi)銷(xiāo)。因?yàn)楫?dāng)某一個(gè)寫(xiě)入操作未執(zhí)行完，其它的操作可能會(huì)全部暫停下來(lái)。所以現(xiàn)在大部分處理器都不會(huì)實(shí)現(xiàn)順序一致性，而是實(shí)現(xiàn)一些較為松弛的一致性模型。

下面將根據(jù)從強(qiáng)到弱的限制程度排序，列舉幾種典型的存儲(chǔ)器模型：

1. 順序一致性模型（sequential consistency，SC）

也稱(chēng)為強(qiáng)定序模型，從施加的限制來(lái)看，該模型下load/store是順序的訪問(wèn)存儲(chǔ)器。每個(gè)處理器都按照程序順序來(lái)執(zhí)行程序，即便訪問(wèn)的是不同存儲(chǔ)器地址，也不能改變?cè)L問(wèn)順序。從全局看，每個(gè)存儲(chǔ)器寫(xiě)操作都需要能被系統(tǒng)中所有的處理器同時(shí)觀測(cè)到，同一時(shí)刻只有一個(gè)處理器和存儲(chǔ)系統(tǒng)相連，因此對(duì)memory的訪問(wèn)時(shí)原子化的，串行化的。順序一致性模型簡(jiǎn)單直觀，但限制了CPU硬件和編譯器的優(yōu)化，影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

2. 完全存儲(chǔ)定序模型（Total Store Order，TSO）

由于處理器主頻和存儲(chǔ)器頻率相差較大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在CPU中增加存儲(chǔ)緩沖區(qū)（store buffer），它的作用是為store指令提供緩沖，使得處理器不用等待存儲(chǔ)器的響應(yīng)。但是由于存儲(chǔ)緩沖的存在，一些在store之后的load指令可能會(huì)越過(guò)該指令提前執(zhí)行，那一個(gè)core的store-load操作通常會(huì)被其他core看成亂序執(zhí)行了，變成load-store了。因此在在該模型下，訪存操作的四種組合store-store，store-load，load-store，load-load中，只有store-load存在亂序。store操作在store_buffer中順序執(zhí)行。load同樣按順序執(zhí)行，但可穿插到多個(gè)store執(zhí)行過(guò)程中

3. 部分存儲(chǔ)定序模型（Part Store Order，PSO）

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員并不滿(mǎn)足TSO模型帶來(lái)的性能提升，于是繼續(xù)在TSO的基礎(chǔ)上放松訪問(wèn)內(nèi)存訪問(wèn)限制，允許處理器以非FIFO來(lái)處理store buffer緩沖區(qū)的指令，處理器只保證地址相關(guān)指令在store buffer中以FIFO的形式進(jìn)行處理，而其它的則可以亂序處理。

4. 處理器一致性模型（Processor Consistency，PC）

該模型比順序一致性弱。在SC中，要維持每一條load/store指令與后續(xù)load/store指令的次序。在處理器一致性模型中，則放松了較早的store指令和較晚的load指令之間的次序。當(dāng)一條store指令還未被執(zhí)行時(shí)，允許一條較晚的load指令像高速緩存發(fā)出請(qǐng)求甚至結(jié)束。這一點(diǎn)的重要性在于，store指令可以在寫(xiě)緩沖區(qū)排隊(duì)并在稍晚執(zhí)行，同時(shí)，load指令不需要等待較早的store指令結(jié)束就可以訪問(wèn)高速緩存，所以降低了load指令的時(shí)延。

5. 弱序一致性模型（Weak Order Consistency，WO）

該模型的主要思想是把同步操作和普通訪存操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，兩個(gè)同步操作之間的訪存操作的順序不受影響，依然遵循指令程序順序。WO模型利用了兩個(gè)假設(shè)：程序是適當(dāng)同步的；程序員正確的向硬件表示哪些load和store是起到同步訪問(wèn)作用的。

程序員必須用硬件可識(shí)別的同步操作把對(duì)可寫(xiě)共享單元的訪問(wèn)保護(hù)起來(lái)，以保證多個(gè)處理器對(duì)該共享單元的訪問(wèn)是互斥的。該模型增加了程序員的負(fù)擔(dān)，但能有效提高性能。目前，很多的商業(yè)化處理器實(shí)現(xiàn)的就是WO，比如ARM。

6. 釋放一致性模型（Release Consistency，RC）

該模型是對(duì)弱一致性模型的改進(jìn)，它把同步操作進(jìn)一步分成獲取操作（acquire）和釋放操作（release）。acquire用于獲取對(duì)某些共享存儲(chǔ)單元的獨(dú)占性訪問(wèn)權(quán)；release用于釋放該訪問(wèn)權(quán)。執(zhí)行的順序?yàn)椋篴cquire-> load/store ->release。

與WO類(lèi)似，RC允許編譯器自由改變load指令和store指令的次序，但是不允許它們?cè)竭^(guò)一個(gè)獲取同步向前移動(dòng)，也不允許它們?cè)竭^(guò)一個(gè)釋放同步向后移動(dòng)。與WO不同的是，單靠指令的操作碼不容易表示同步訪問(wèn)。 通常來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)一致性模型對(duì)訪存事件次序施加的限制越弱，越有利于提高性能，但增加了編程難度。

且限制越強(qiáng)的存儲(chǔ)器模型程序可以在限制較弱的存儲(chǔ)器模型上運(yùn)行，很少會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。 關(guān)于存儲(chǔ)器一致性模型，有很多的學(xué)術(shù)文章和書(shū)籍，我所了解的也就是一點(diǎn)皮毛。其實(shí)，今天講的這些，都是基礎(chǔ)知識(shí)。

審核編輯：劉清