在多執行緒程式設計中，處理器最佳化像是儲存緩衝區、失效佇列和管線處理等技術，雖然能提升效能，但也可能造成指令重排序，進而影響多執行緒程式執行結果。理解記憶體排序並正確使用原子操作，例如使用 Rust 的 std::sync::atomic，能有效控制指令重排序。不同架構的處理器，如 x86-64 和 ARM64，處理記憶體排序的方式也有所不同，x86-64 架構較強序，而 ARM64 架構較弱序，需要更謹慎地使用記憶體屏障指令，例如 ldar、stlr 等，才能確保程式在多執行緒環境下的正確性。選擇合適的記憶體排序模型，例如 Relaxed、Release、Acquire 和 Sequentially Consistent，並搭配同步機制與對處理器架構的理解，才能寫出高效且正確的多執行緒程式。
指令重排序與記憶體排序的重要性
在多執行緒程式設計中，指令重排序和記憶體排序是兩個至關重要的概念。現代處理器為了提高效能，會進行各種最佳化，這些最佳化在單執行緒程式中通常不會影響正確性，但在多執行緒環境下可能會導致意想不到的結果。
處理器最佳化與指令重排序
現代處理器採用了多種最佳化技術，例如：
-
儲存緩衝區（Store Buffers）
處理器核心通常包含一個儲存緩衝區，用於暫存寫入記憶體的操作。這使得處理器能夠立即繼續執行後續指令，而無需等待寫入操作完成。然而，這也可能導致不同執行緒在短時間內看到不一致的記憶體狀態。 -
失效佇列（Invalidation Queues）
快取一致性協定需要處理失效請求，以確保快取的一致性。為了最佳化效能，這些請求可能會被佇列延遲處理，導致快取在短時間內變為過時狀態。這種情況主要影響多執行緒程式中不同核心對記憶體的檢視。 -
管線處理（Pipelining）
處理器透過管線技術平行執行多條指令，這可能導致指令完成的順序與程式原始順序不一致。雖然這對單執行緒程式的正確性沒有影響，但在多執行緒環境下可能會導致意外的互動行為。
記憶體排序與原子操作
在 Rust 或 C 等程式語言中，執行原子操作時需要指定記憶體排序（Memory Ordering）。這告訴編譯器生成合適的指令，以防止處理器進行可能破壞正確性的指令重排序。
不同記憶體排序的影響
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寬鬆原子操作（Relaxed Atomic Operations）
允許最大程度的指令重排序，適用於那些不需要嚴格一致性的操作。 -
順序一致性原子操作（Sequentially Consistent Atomic Operations）
保證所有操作按照程式中的順序執行，不允許任何形式的指令重排序。
程式碼範例與記憶體排序
以下是一個簡單的 Rust 程式碼範例，展示了不同記憶體排序對原子操作的影響：
use std::sync::atomic::{AtomicBool, Ordering};
use std::sync::Arc;
use std::thread;
fn main() {
let flag = Arc::new(AtomicBool::new(false));
let flag_clone = Arc::clone(&flag);
// 啟動一個新的執行緒
let handle = thread::spawn(move || {
flag_clone.store(true, Ordering::Release);
});
// 在主執行緒中等待 flag 變為 true
while !flag.load(Ordering::Acquire) {
// 自旋等待
}
handle.join().unwrap();
}
內容解密：
-
Arc與AtomicBool：
使用Arc來實作執行緒間的分享資料，而AtomicBool保證了flag變數的原子操作。 -
Ordering::Release與Ordering::Acquire：
在子執行緒中使用Ordering::Release進行寫入操作，確保所有在此之前的寫入操作對其他執行緒是可見的。
在主執行緒中使用Ordering::Acquire進行讀取操作，確保可以看到子執行緒中Release操作之前的所有寫入。 -
自旋等待：
主執行緒透過自旋等待flag變為true，當flag被設定為true時，自旋結束。
執行緒互動流程
sequenceDiagram
participant MainThread
participant ChildThread
Note over MainThread,ChildThread: 開始執行
ChildThread->>ChildThread: 執行某些操作
ChildThread->>flag: store(true, Release)
MainThread->>flag: load(Acquire)
MainThread->>MainThread: 繼續執行後續操作
Note over MainThread,ChildThread: 同步完成
圖表翻譯：
此圖表展示了主執行緒與子執行緒之間的互動流程。子執行緒在完成某些操作後，將 flag 設定為 true 並使用 Release 記憶體排序。主執行緒則透過 Acquire 記憶體排序讀取 flag，確保能夠看到子執行緒的操作結果，從而完成同步。
指令重排序的影響與處理
指令重排序是現代處理器提高效能的重要手段，但在多執行緒程式設計中需要特別注意其影響。透過正確使用記憶體排序，可以有效控制指令重排序的行為，確保程式的正確性。
最佳實踐
-
選擇合適的記憶體排序：
根據具體需求選擇合適的記憶體排序。例如，對於簡單的旗標變數，使用Acquire和Release排序就足夠；而對於需要嚴格一致性的操作，則應使用SequentiallyConsistent。 -
避免過度依賴特定順序：
編寫多執行緒程式時，應避免依賴指令執行的特定順序，而是透過同步機制來確保正確性。 -
充分理解處理器架構：
不同的處理器架構可能支援不同的指令重排序和記憶體排序。瞭解目標平台的特性，有助於編寫更高效、更正確的多執行緒程式。
記憶體排序與原子操作：深入處理器架構
在多執行緒程式設計中，記憶體排序（Memory Ordering）是一個至關重要的概念，它直接影響到程式的正確性和效能。不同的處理器架構對於記憶體操作的排序有不同的處理方式，這些差異對原子操作的實作有著重要影響。本篇文章將探討x86-64和ARM64架構下的記憶體排序規則，以及這些規則如何影響原子操作的實作。
記憶體排序的基本概念
記憶體排序指的是處理器在執行記憶體操作（如讀取和寫入）時的順序。現代處理器為了提高效能，經常會對指令進行重新排序（Instruction Reordering）。然而，這種重新排序在多執行緒環境下可能會導致資料競爭（Data Race）的問題。
取得操作（Acquire Operation）與釋放操作（Release Operation）
-
取得操作（Acquire）：確保在其之後的記憶體操作不會被重新排序到其之前。這保證了在取得鎖或同步點之後，相關的資料存取是正確有序的。
pub fn acquire_example(x: &AtomicI32) -> i32 { x.load(Acquire) // 使用Acquire載入，確保後續操作不會被重排到之前 } -
釋放操作（Release）：確保在其之前的記憶體操作不會被重新排序到其之後。這保證了在釋放鎖或同步點之前，所有相關的資料存取都已經完成。
pub fn release_example(x: &AtomicI32) { x.store(0, Release); // 使用Release儲存，確保之前的資料操作已經完成 }
其他多副本原子性（Other-Multi-Copy Atomicity）
某些處理器架構，如某些圖形處理器，可能會表現出不一致的記憶體操作順序，即使在單一處理器上沒有指令重新排序。這種現象不能簡單地用指令重新排序來解釋，因為它涉及到快取一致性（Cache Coherence）和分享儲存緩衝區（Shared Store Buffers）等更複雜的問題。
x86-64架構：強序（Strongly Ordered）
x86-64架構是一種強序架構，它對記憶體操作的排序有嚴格的限制：
- 載入操作（Load）不會被重新排序到後續的記憶體操作之後。
- 儲存操作（Store）不會被重新排序到之前的記憶體操作之前。
這意味著在x86-64架構上，取得操作和釋放操作的實作與鬆散操作（Relaxed Operation）是相同的，因為載入和儲存操作的順序已經被保證。
實作範例
pub fn store_example(x: &AtomicI32) {
x.store(0, Release); // 在x86-64上，這與x.store(0, Relaxed)相同
}
pub fn load_example(x: &AtomicI32) -> i32 {
x.load(Acquire) // 在x86-64上，這與x.load(Relaxed)相同
}
pub fn fetch_add_example(x: &AtomicI32) {
x.fetch_add(10, AcqRel); // 取得-釋放操作，在x86-64上編譯為lock add指令
}
編譯結果
store_example:
mov dword ptr [rdi], 0
ret
load_example:
mov eax, dword ptr [rdi]
ret
fetch_add_example:
lock add dword ptr [rdi], 10
ret
ARM64架構：弱序（Weakly Ordered）
ARM64是一種弱序架構，它允許更靈活的記憶體操作重新排序。這意味著取得操作和釋放操作需要特殊的指令來確保正確的記憶體排序。
實作範例
pub fn store_release(x: &AtomicI32) {
x.store(0, Release); // 使用STLR指令保證釋放操作的正確順序
}
pub fn load_acquire(x: &AtomicI32) -> i32 {
x.load(Acquire) // 使用LDAR指令保證取得操作的正確順序
}
編譯結果
store_release:
stlr wzr, [x0]
ret
load_acquire:
ldar w0, [x0]
ret
順序一致性（Sequential Consistency, SeqCst）操作
順序一致性是最高階別的記憶體排序約束，它保證所有SeqCst操作的全域性一致順序。
x86-64上的SeqCst操作
在x86-64上，SeqCst的儲存操作需要使用xchg指令，以確保不會與後續的載入操作重新排序。
pub fn seqcst_store(x: &AtomicI32) {
x.store(0, SeqCst); // 編譯為xchg指令
}
編譯結果
seqcst_store:
xor eax, eax
xchg dword ptr [rdi], eax
ret
隨著多核心處理器和分散式系統的普及，對於記憶體模型和原子操作的研究將繼續深入。未來的處理器架構可能會提供更豐富的記憶體排序選項和更高效的同步機制。開發者需要持續關注這些發展，以便在不同的硬體平台上最佳化他們的程式。
參考資料
- “C++ Concurrency in Action” by Anthony Williams
- “The Rust Programming Language” by Steve Klabnik and Carol Nichols
- “ARM Architecture Reference Manual”
- “Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual”
重要術語
- 記憶體排序（Memory Ordering）：處理器執行記憶體操作的順序。
- 原子操作（Atomic Operation）：不可分割的操作，用於多執行緒同步。
- 取得操作（Acquire Operation）：確保後續操作不會被重排到之前。
- 釋放操作（Release Operation）：確保之前的操作不會被重排到之後。
- 順序一致性（Sequential Consistency, SeqCst）：最高階別的記憶體排序約束，保證全域性一致順序。
附錄：Mermaid圖表示例
graph LR
A[開始] --> B{是否使用SeqCst?}
B -->|是| C[使用xchg指令]
B -->|否| D[使用mov指令]
C --> E[結束]
D --> E
圖表翻譯： 此圖表示展示了在x86-64架構下，根據是否使用SeqCst記憶體排序，選擇不同的指令（xchg或mov）來進行原子儲存操作的流程。SeqCst操作需要使用xchg指令以保證全域性一致的順序，而非SeqCst操作則可以使用mov指令。這個流程說明瞭處理器如何根據不同的記憶體排序需求選擇適當的指令，以確保程式的正確執行。
graph TD
A[x86-64架構] --> B[強序架構]
A --> C[載入操作不被重排]
A --> D[儲存操作不被重排]
B --> E[取得/釋放操作與鬆散操作相同]
C --> F[使用mov指令]
D --> F
E --> G[高效的原子操作]
圖表翻譯： 此圖表展示了x86-64架構作為強序架構的特性，包括載入和儲存操作的不重排特性，以及其對於原子操作的影響。由於x86-64的強序特性，取得和釋放操作的實作與鬆散操作相同，這使得原子操作在該架構上非常高效。圖表清晰地說明瞭x86-64架構下原子操作的最佳化和實作原理。
深入理解處理器架構下的記憶體排序
ARM64架構下的記憶體存取指令最佳化
在探討處理器架構對記憶體存取順序的影響時，我們發現ARM64架構在處理原子操作（atomic operations）時展現出獨特的指令設計。相較於x86-64架構，ARM64提供了更豐富的記憶體存取指令選擇，以滿足不同的記憶體一致性需求。
原子操作的實作方式比較
考慮以下Rust程式碼範例及其對應的ARM64彙程式設計式碼：
pub fn a(x: &AtomicI32) {
x.fetch_add(10, AcqRel);
}
對應的ARM64彙程式設計式碼：
a:
.L1:
ldaxr w8, [x0]
add w9, w8, #10
stlxr w10, w9, [x0]
cbnz w10, .L1
ret
記憶體排序指令的特殊之處
ARM64架構為不同的記憶體存取順序提供了專門的指令：
- Load-Acquire指令：
ldar和ldaxr保證不會與後續的記憶體操作重新排序 - Store-Release指令：
stlr和stlrx保證不會與之前的記憶體操作重新排序 - Acquire-Release指令組合：
ldaxr和stlrx的組合使用確保了更強的記憶體一致性
這些指令的設計使得ARM64在處理記憶體存取時能夠提供更細粒度的控制。
SeqCst操作的特殊性
在ARM64架構下，順序一致性（Sequentially Consistent, SeqCst）操作的實作與Acquire-Release操作幾乎相同：
pub fn a(x: &AtomicI32) {
x.store(0, SeqCst);
}
對應的彙程式設計式碼：
a:
stlr wzr, [x0]
ret
這意味著在ARM64架構下，SeqCst操作與Acquire-Release操作的效能幾乎相同。
ARMv8.1原子指令的進階特性
ARMv8.1架構引入了更多專門的原子指令，如ldadd系列指令，這些指令進一步提升了原子操作的效能：
- 基本指令：
ldadd實作載入並相加的操作 - 帶有記憶體排序語義的變體：
ldaddl：Release語義ldadda：Acquire語義ldaddal：Acquire-Release語義
這些指令的引入使得原子操作的實作更加高效。
記憶體排序錯誤的隱患
在強序架構（如x86-64）上開發平行程式時，可能會忽略一些記憶體排序相關的問題。以下是一個典型的錯誤範例：
fn main() {
let locked = AtomicBool::new(false);
let counter = AtomicUsize::new(0);
thread::scope(|s| {
for _ in 0..4 {
s.spawn(|| {
for _ in 0..1_000_000 {
// 錯誤的使用Relaxed記憶體排序
while locked.swap(true, Relaxed) {}
compiler_fence(Acquire);
let old = counter.load(Relaxed);
let new = old + 1;
counter.store(new, Relaxed);
compiler_fence(Release);
locked.store(false, Relaxed);
}
});
}
});
println!("{}", counter.into_inner());
}
不同架構下的執行結果
-
x86-64架構：由於強序特性，錯誤的記憶體排序並未導致可見的問題
- 輸出始終為4000000
-
ARM64架構（Apple M1處理器）：弱序特性使得問題顯現
- 輸出約為398xxxx，顯示出明顯的平行錯誤
這個實驗結果表明，在不同架構下測試平行程式的重要性。
內容解密：
上述實驗結果表明，即使在看似正確的平行程式碼中，錯誤的記憶體排序也可能導致難以察覺的問題。開發人員應該在程式設計階段就充分考慮不同架構的特性，並進行全面的測試以確保程式的正確性。
隨著處理器架構的不斷演進，未來可能出現更多針對平行操作的最佳化指令。開發人員需要持續關注最新的架構特性，並相應地調整平行程式的設計策略。
圖表翻譯：
此實驗結果對比圖清晰地展示了不同處理器架構下平行程式的執行結果差異。從圖中可以看出，x86-64架構下的執行結果始終正確，而ARM64架構下則出現了明顯的錯誤計數。
graph LR
A[x86-64架構] -->|始終正確| B[4000000]
C[ARM64架構] -->|出現錯誤| D[約398xxxx]
圖表翻譯： 此圖示展示了在不同處理器架構下執行相同平行程式的結果對比。左側的x86-64架構由於其強序特性，始終能夠得到正確的結果；而右側的ARM64架構由於其弱序特性，導致了計數錯誤的出現。這個對比結果強調了在不同架構下進行平行程式測試的重要性。
