为什么需要内存屏障？

Question

C# 4 in a Nutshell（强烈推荐顺便说一句）使用以下代码来演示 MemoryBarrier 的概念（假设 A 和 B 在不同的线程上运行）：

class Foo{
  int _answer;
  bool complete;
  void A(){
    _answer = 123;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 1
    _complete = true;
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 2
  }
  void B(){
    Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 3;
    if(_complete){
      Thread.MemoryBarrier(); // Barrier 4;
      Console.WriteLine(_answer);
    }
  }
}

他们提到障碍 1 和 4 阻止此示例写入 0，障碍 2 和 3 提供了新鲜度保证：他们确保如果 B 在 A 之后运行，则读取 _complete 将评估为 true。

我并没有真正明白。我想我理解为什么需要设置障碍 1 和 4：我们不希望对 _answer 的写入进行优化并放置在写入 _complete（障碍 1）之后，并且我们需要确保 _answer 没有被缓存（障碍 4）。我也认为我理解为什么需要设置屏障 3：如果 A 运行到刚刚写入 _complete = true 之后，B 仍需要刷新 _complete 以读取正确的值。

我不明白为什么我们需要屏障 2！我的一部分说这是因为线程 2（运行 B）可能已经运行到（但不包括）if(_complete)，所以我们需要确保 _complete 被刷新.

但是，我看不出这有什么帮助。 _complete 是否仍然有可能在 A 中设置为 true，但 B 方法会看到 _complete 的缓存（错误）版本？即，如果线程 2 运行方法 B 直到第一个 MemoryBarrier 之后，然后线程 1 运行方法 A 直到 _complete = true 但没有进一步，然后线程 1 恢复并测试 if(_complete) -- if 会不会导致 false？

Answer 1

屏障#2 保证对_complete 的写入立即被提交。否则它可能会保持在排队状态，这意味着即使B 有效地使用了易失性读取，B 中的_complete 的读取也不会看到由A 引起的变化。

当然，这个例子并不能完全解决这个问题，因为A 在写入_complete 之后什么都不做，这意味着无论如何都会立即提交写入，因为线程提前终止了。

对于if 是否仍可以评估为false 的问题的答案是肯定的，这正是您所说的原因。但是，请注意作者对这一点的看法。

障碍 1 和 4 阻止了此示例 从写“0”。障碍 2 和 3 提供新鲜度保证：他们 确保如果 B 在 A 之后运行，则读取 _complete 将评估为 true。

我强调“如果 B 跑在 A 之后”。这当然可能是两个线程交错的情况。但是，作者忽略了这种情况，大概是为了说明Thread.MemoryBarrier 的工作原理更简单。

顺便说一句，我很难在我的机器上设计一个示例，其中障碍 #1 和 #2 会改变程序的行为。这是因为关于写入的内存模型在我的环境中很强大。也许，如果我有一台多处理器机器，正在使用 Mono，或者有一些其他不同的设置，我可以演示它。当然，很容易证明移除障碍 #3 和 #4 会产生影响。

Answer 2

这个例子不清楚有两个原因：

1. 要完全展示栅栏发生的情况太简单了。
2. Albahari 包括对非 x86 架构的要求。请参阅MSDN：“MemoryBarrier 仅在内存排序较弱的多处理器系统上需要（例如，使用多个 Intel Itanium 处理器 [Microsoft 不再支持] 的系统）。”。

如果你考虑以下几点，它会变得更清楚：

1. 内存屏障（此处为全屏障 - .Net 不提供半屏障）可防止读/写指令越界（由于各种优化）。这保证了我们在栅栏之后的代码将在栅栏之前的代码之后执行。
2. “此序列化操作可确保在程序顺序中位于 MFENCE 指令之前的每个加载和存储指令都是全局可见的，而随后 MFENCE 指令之后的任何加载或存储指令都是全局可见的。”见here。
3. x86 CPU 具有强大的内存模型，并保证写入对所有线程/内核都是一致的（因此在 x86 上不需要屏障 #2 和 #3）。但是，我们不能保证读取和写入将保持编码顺序，因此需要屏障 #1 和 #4。
4. 内存屏障效率低下，不需要使用（参见同一篇 MSDN 文章）。我个人使用 Interlocked 和 volatile（确保您知道如何正确使用它！！），它们工作高效且易于理解。

附言。 This article 很好地解释了 x86 的内部工作原理。