内存模型一：什么是内存模型

纵然工作再忙也应该要留下自己思考的时间，这次我总结了一下对于内存模型的理解，起因是在公司听了一场关于多线程编程的分享会。首先解释一下，内存模型和对象模型是不同的。对象模型说的是一个对象是如何被设计的，其在内存中是如何布局的。而内存模型说的是，在多核多线程环境下，各种不同的CPU是如何以一种统一的方式来与内存交互的。

背景知识：CPU的高速缓存

总所周知，CPU和内存并不是直接交换数据的，它们之间还隔着一个高速缓存。高速缓存是对程序员透明的，这意味在编程的时候是感知不到CPU的缓存的存在的。一般情况下确实如此，但在，在某些特殊的情形下（多核多线程），就不能忽略缓存的存在了。这其实是和缓存的设计有关系，一般多处理器下的每个CPU都有一个自己的缓存，存储在这个缓存的数据是其它CPU是无法查看的。

引入问题1：内存可见性

问题来了，由于缓存是每个CPU私有的，那么在多线程环境下，某个CPU修改了变量x后保存在本地缓存，对于其它CPU，何时才能发现变量x被修改呢？如何保证其它CPU的缓存中持有的x的值是最新的呢？

由此可见，在多核多线程环境下，读写共享变量要解决的不仅是原子性，还需要保证其内存可见性。更糟的是，现代CPU通常在执行指令时会允许一定程度上的乱序，这使保证在多个CPU缓存的数据一致更是增加了复杂性。通常方法是通过一个协议来保证数据在各个CPU的缓存是一致性，这就是缓存一致性协议。

关于缓存一致性简单的举个列子。CPU-0尝试STORE（更新）变量x，但其发现其它CPU的缓存也持有这个x的copy（x此时为Shared状态，非单个CPU独占），那么当CPU-0在STORE之前，必须通过一个disable消息，告诉其它CPU所持有的变量x已经为脏数据，是不可用状态。其它CPU在收到这个disable消息后必须回应CPU-0一个ack消息，这时候CPU-0才能开始STORE变量x。

通过缓存一致性协议之后，内存可见性问题似乎是得以解决了。但是，这里面还隐藏着另外一个问题：指令乱序！

引入问题2：乱序（memory reorder）

先来解释一下，乱序，指的是程序指令实际上执行的顺序，和我们书写的指令的顺序不一致。乱序分两种，分别是编译器的指令重排和CPU的乱序执行。本意上乱序是为了优化指令执行的速度而产生的。并且为了维护程序原来的语义，编译器和CPU不会对两个有数据依赖的指令重排（reorder）。这种保护在单线程的环境下是可以工作的，但是到了多线程，问题就复杂了。

举个例子，CPU-0将要执行两条指令，分别是：

STORE x
LOAD y

当CPU-0执行指令1的时候，发现这个变量x的当前状态为Shared，这意味着其它CPU也持有了x，因此根据缓存一致性协议，CPU-0在修改x之前必须通知其它CPU，直到收到来自其它CPU的ack才会执行真正的修改x。但是，事情没有这么简单。现代CPU缓存通常都有一个Store Buffer，其存在的目的是，先将要Store的变量记下来，注意此时并不真的执行Store操作，然后待时机合适的时候再执行实际的Store。有了这个Store Buffer，CPU-0在向其它CPU发出disable消息之后并不是干等着，而是转而执行指令2（由于指令1和指令2在CPU-0看来并不存在数据依赖）。这样做效率是有了，但是也带来了问题。虽然我们在写程序的时候，是先STORE x再执行LOAD y，但是实际上CPU却是先LOAD y再STORE x，这个便是CPU乱序执行（reorder）的一种情况！

当你的程序要求指令1、2有逻辑上的先后顺序时，CPU这样的优化就是有问题的。但是，CPU并不知道指令之间蕴含着什么样的逻辑顺序，在你告诉它之前，它只是假设指令之间都没有逻辑关联，并且尽最大的努力优化执行速度。因此我们需要一种机制能告诉CPU：这段指令执行的顺序是不可被重排的！做这种事的就是内存屏障（memory barrier）！

内存屏障

还是上面那个例子，如果不想指令1、2被CPU重排，程序应该这么写：

STORE x
WMB (Write memory barrier)
LOAD y

通过在STORE x之后加上这个写内存屏障，就能保证在之后LOAD y指令不会被重排到STORE x之前了。

内存模型是什么

前面讲了那么多，那么内存模型是什么呢？

首先，残酷的现实就是每个CPU设计都是不同的，每个CPU对指令乱序的程度也是不一样的。比较保守的如x86仅会对Store Load乱序，但是一些优化激进的CPU（PS的Power）会允许更多情况的乱序产生。如果目标是写一个跨平台多线程的程序，那么势必要了解每一个CPU的细节，来插入确切的、足够的内存屏障来保证程序的正确性。这是多么的不科学啊！科学的做法应该是，我为一个抽象的机器写一套抽象的程序，然后在不同的平台下让编程语言、编译器来生成合适的内存屏障。因此，我们有了内存模型的概念。不同平台下的实现差别被统一的内存模型所隐藏，只需要根据这个抽象的内存模型来编写程序即可，这便是伟大的抽象...

因此，在C++11里有了内存模型的在之后，我们可以仅通过标准库就实现出跨平台线程安全的lock free程序（这在C++11之前是做不到的，虽然Java早就有了内存模型）。

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