Wann sollten Sie Speicherbarrierefunktionen in Multithread-Code verwenden?

Speicherbarrierefunktionen in Multithread-Code und wann man sie verwendet

Einführung

In Multithread-Code Bei der Programmierung ist die Sicherstellung der Datenkonsistenz und -kohärenz über mehrere Threads hinweg von entscheidender Bedeutung. Intel bietet intrinsische Funktionen wie _mm_sfence(), _mm_lfence() und _mm_mfence(), um Speicherbarrieren festzulegen und die Speicherreihenfolge zu steuern. Für eine effektive und effiziente Codeoptimierung ist es wichtig zu verstehen, wann diese Funktionen verwendet werden müssen.

_mm_sfence()/NT Stores

_mm_sfence() wird häufig in Verbindung mit nicht- temporale (NT) Speicher. NT-Speicher sind schwach geordnet, was bedeutet, dass sie nur garantieren, dass Daten in den Speicher geschrieben werden, jedoch nicht unbedingt in einer bestimmten Reihenfolge. Wenn Sie sicherstellen müssen, dass NT-Speicher für andere Threads global sichtbar werden, müssen Sie nach dem NT-Speicher eine _mm_sfence()-Anweisung ausgeben.

_mm_lfence()

Die Die Anweisung _mm_lfence() fungiert als Ladezaun und verhindert, dass nachfolgende Ladevorgänge ausgeführt werden, bevor vorherige Ladevorgänge eingestellt werden. Auf x86-CPUs ist es jedoch normalerweise nicht erforderlich, _mm_lfence() zu verwenden, da die Hardware die Lastreihenfolge ohne explizite Barrieren gewährleistet.

_mm_mfence()

_mm_mfence() ist die umfassendste Speicherbarriere und stellt sequentielle Konsistenz her. Es garantiert, dass alle vorherigen Lade- und Speichervorgänge global sichtbar werden, bevor nachfolgende Speichervorgänge ausgeführt werden können. _mm_mfence() ist vor allem in bestimmten Szenarien nützlich, z. B. beim Rollen Ihrer eigenen Implementierung von C11/C 11 std::atomic oder beim Steuern der Reihenfolge der im persistenten Speicher gespeicherten Daten.

C 11 std:: atomic

In den meisten Fällen wird empfohlen, C 11 std::atomic zu verwenden, anstatt Speicherbarrieren manuell zu implementieren. C 11 std::atomic bietet High-Level-Funktionen, die die Speicherordnung und -kohärenz sicherstellen, ohne dass expliziter Assembler-Code erforderlich ist.

NT-Speicher und Leistung

Das ist wichtig Beachten Sie, dass NT-Speicher für bestimmte Anwendungsfälle konzipiert sind und sich auf die Leistung auswirken können. Speichervorgänge haben im Allgemeinen keinen Einfluss auf die sichtbare Ausführungsgeschwindigkeit, da sie in der CPU gepuffert werden. In Fällen, in denen Datenkohärenz und -reihenfolge jedoch von entscheidender Bedeutung sind, können NT-Speicher in Kombination mit _mm_sfence() verwendet werden, um das korrekte Programmverhalten sicherzustellen.

NT-Speicher und Semantik zum Erwerb/Freigeben

Bei der Verwendung von NT-Speichern stellt _mm_sfence() eine Release-Semantik bereit und stellt sicher, dass nachfolgende Vorgänge in anderen Threads erst nach dem NT-Speicher sichtbar werden. Wenn der Consumer-Thread einen semantischen Erfassungsansatz verwendet (z. B. „memory_order_acquire“), stellt _mm_sfence() in ähnlicher Weise sicher, dass alle vorhergehenden NT-Speicher global sichtbar werden, bevor auf die erfassten Daten zugegriffen wird.

Barrieren und Ausführung außerhalb der Reihenfolge

Speicherbarrieren, einschließlich _mm_sfence(), _mm_lfence() und _mm_mfence(), können sich in modernen Systemen auf die Ausführung außerhalb der Reihenfolge auswirken CPUs. Diese CPUs versuchen, Anweisungen parallel auszuführen, um die Effizienz zu steigern. Wenn jedoch eine Speicherbarriere auftritt, muss die CPU sicherstellen, dass alle vorherigen Speichervorgänge abgeschlossen sind, bevor nachfolgende Vorgänge fortgesetzt werden können, wodurch möglicherweise Leistungsgewinne durch eine Ausführung außerhalb der Reihenfolge verringert werden.

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