縱然工作再忙也應該要留下自己思考的時間，這次我總結了一下對於內存模型的理解，起因是在公司聽了一場關於多線程編程的分享會。首先解釋一下，內存模型和對象模型是不同的。對象模型說的是一個對象是如何被設計的，其在內存中是如何布局的。而內存模型說的是，在多核多線程環境下，各種不同的CPU是如何以一種統一的方式來與內存交互的。
背景知識：CPU的高速緩存
總所周知，CPU和內存並不是直接交換數據的，它們之間還隔着一個高速緩存。高速緩存是對程序員透明的，這意味在編程的時候是感知不到CPU的緩存的存在的。一般情況下確實如此，但在，在某些特殊的情形下（多核多線程），就不能忽略緩存的存在了。這其實是和緩存的設計有關系，一般多處理器下的每個CPU都有一個自己的緩存，存儲在這個緩存的數據是其它CPU是無法查看的。
引入問題1：內存可見性
問題來了，由於緩存是每個CPU私有的，那么在多線程環境下，某個CPU修改了變量x后保存在本地緩存，對於其它CPU，何時才能發現變量x被修改呢？如何保證其它CPU的緩存中持有的x的值是最新的呢？
由此可見，在多核多線程環境下，讀寫共享變量要解決的不僅是原子性，還需要保證其內存可見性。更糟的是，現代CPU通常在執行指令時會允許一定程度上的亂序，這使保證在多個CPU緩存的數據一致更是增加了復雜性。通常方法是通過一個協議來保證數據在各個CPU的緩存是一致性，這就是緩存一致性協議。
關於緩存一致性簡單的舉個列子。CPU-0嘗試STORE（更新）變量x，但其發現其它CPU的緩存也持有這個x的copy（x此時為Shared狀態，非單個CPU獨占），那么當CPU-0在STORE之前，必須通過一個disable消息，告訴其它CPU所持有的變量x已經為臟數據，是不可用狀態。其它CPU在收到這個disable消息后必須回應CPU-0一個ack消息，這時候CPU-0才能開始STORE變量x。
通過緩存一致性協議之后，內存可見性問題似乎是得以解決了。但是，這里面還隱藏着另外一個問題：指令亂序！
引入問題2：亂序（memory reorder）
先來解釋一下，亂序，指的是程序指令實際上執行的順序，和我們書寫的指令的順序不一致。亂序分兩種，分別是編譯器的指令重排和CPU的亂序執行。本意上亂序是為了優化指令執行的速度而產生的。並且為了維護程序原來的語義，編譯器和CPU不會對兩個有數據依賴的指令重排（reorder）。這種保護在單線程的環境下是可以工作的，但是到了多線程，問題就復雜了。
舉個例子，CPU-0將要執行兩條指令，分別是：
- STORE x
- LOAD y
當CPU-0執行指令1的時候，發現這個變量x的當前狀態為Shared，這意味着其它CPU也持有了x，因此根據緩存一致性協議，CPU-0在修改x之前必須通知其它CPU，直到收到來自其它CPU的ack才會執行真正的修改x。但是，事情沒有這么簡單。現代CPU緩存通常都有一個Store Buffer，其存在的目的是，先將要Store的變量記下來，注意此時並不真的執行Store操作，然后待時機合適的時候再執行實際的Store。有了這個Store Buffer，CPU-0在向其它CPU發出disable消息之后並不是干等着，而是轉而執行指令2（由於指令1和指令2在CPU-0看來並不存在數據依賴）。這樣做效率是有了，但是也帶來了問題。雖然我們在寫程序的時候，是先STORE x再執行LOAD y，但是實際上CPU卻是先LOAD y再STORE x，這個便是CPU亂序執行（reorder）的一種情況！
當你的程序要求指令1、2有邏輯上的先后順序時，CPU這樣的優化就是有問題的。但是，CPU並不知道指令之間蘊含着什么樣的邏輯順序，在你告訴它之前，它只是假設指令之間都沒有邏輯關聯，並且盡最大的努力優化執行速度。因此我們需要一種機制能告訴CPU：這段指令執行的順序是不可被重排的！做這種事的就是內存屏障（memory barrier）！
內存屏障
還是上面那個例子，如果不想指令1、2被CPU重排，程序應該這么寫：
- STORE x
- WMB (Write memory barrier)
- LOAD y
通過在STORE x之后加上這個寫內存屏障，就能保證在之后LOAD y指令不會被重排到STORE x之前了。
內存模型是什么
前面講了那么多，那么內存模型是什么呢？
首先，殘酷的現實就是每個CPU設計都是不同的，每個CPU對指令亂序的程度也是不一樣的。比較保守的如x86僅會對Store Load亂序，但是一些優化激進的CPU（PS的Power）會允許更多情況的亂序產生。如果目標是寫一個跨平台多線程的程序，那么勢必要了解每一個CPU的細節，來插入確切的、足夠的內存屏障來保證程序的正確性。這是多么的不科學啊！科學的做法應該是，我為一個抽象的機器寫一套抽象的程序，然后在不同的平台下讓編程語言、編譯器來生成合適的內存屏障。因此，我們有了內存模型的概念。不同平台下的實現差別被統一的內存模型所隱藏，只需要根據這個抽象的內存模型來編寫程序即可，這便是偉大的抽象...
因此，在C++11里有了內存模型的在之后，我們可以僅通過標准庫就實現出跨平台線程安全的lock free程序（這在C++11之前是做不到的，雖然Java早就有了內存模型）。
參考資料