Linux核心中的記憶體屏障

編譯器有時會對代碼做一些優化，例如嘗試在保證程式執行正确的前提下修改指令順序或優化ldr/str指令，讓程式執行地更快。但是編譯器畢竟不能完全猜透人的心思，有時候它做的優化會導緻程式運作不符我們的預期。

是以，核心中提供了一些額外的函數，可以插在某段代碼裡，告訴編譯器不要在這裡做指令優化。這些函數分為兩種：

記憶體屏障：rmb(), wmb(), mb()，可以防止硬體上的指令重排。除了編譯器，有的CPU也支援對指令進行重排來優化程式執行效率，這幾個函數就是去防止CPU去做這些事情。rmb()是讀通路記憶體屏障，它保證在屏障（調用rmb()的位置處）之後的任何讀操作在執行之前，屏障之前的所有讀操作都已經完成。wmb()對應寫操作，意思同上。mb()就同時包含讀和寫操作，意思同上。

優化屏障：barrier()，防止編譯器對記憶體通路的優化，類似volatile關鍵字對于通路變量的作用。它告訴編譯器，在插入barrier()的位置處，記憶體中的内容都被更新了，你想讀變量、映射到記憶體的寄存器等内容都需要真正到記憶體裡去讀，這樣就能保證barrier之後的讀指令不會被優化掉。

上面第1種屏障是和硬體即CPU特性相關的，那麼，如果你的CPU沒有指令重排的能力，也就沒有必要防止指令重排了。例如，一款CPU不支援寫指令重排，那麼系統中的wmb()就直接被定義成了barrier()。

還有SMP系統中使用的smp_rmb(), smp_wmb(), smp_mb()，它們隻用于SMP系統。在單處理器上它們被定義成barrier()。

當然，防止優化後，受影響的代碼執行效率會降低，但為了保證正确性，犧牲一點性能是值得的。

優化屏障的一個特定應用是核心的搶占機制。我們看到preempt_disable()/preempt_enable()并不是簡單的修改搶占計數：

#define preempt_disable() \
do { \
    inc_preempt_count(); \
    barrier(); \
} while (0)

#define preempt_enable_no_resched() \
do { \
    barrier(); \
    dec_preempt_count(); \
} while (0)

#define preempt_enable() \
do { \
    preempt_enable_no_resched(); \
    barrier(); \
    preempt_check_resched(); \
} while (0)           

正常的用法我們都很熟悉：

preempt_disable()
//臨界區，不能被搶占。
preempt_enable()           

但如果不加屏障，誰也不知道編譯器是否會優化成這樣：

//臨界區，不能被搶占。
preempt_disable()
preempt_enable()           

或

preempt_disable()
preempt_enable()
//臨界區，不能被搶占。           

這樣臨界區代碼就沒有受到保護。是以，需要在關搶占時增加preempt_count之後增加一個屏障，告訴編譯器在這之前要完成寫請求，接着再執行臨界區代碼，在開搶占時遞減preempt_count之前增加一個屏障，告訴編譯器要真正去記憶體裡擷取這個值，不能偷懶。

volatile：

上面提到了volatile，我也簡單說一下，volatile的作用是防止編譯器對訪存指令做優化，例如，在一個線程的一段代碼裡要定期讀一個變量a，根據讀到的不同值做不同僚情，但這個a的修改是在另一個線程裡做的，那編譯器可能就認為a沒有被改過進而不是去每次從記憶體裡去讀新的a（把a放在一個臨時寄存器裡，每次讀寄存器）。

用volatile關鍵字修飾a的作用就是讓使用a的代碼每次都真正從記憶體裡去讀。volatile的作用僅此而已（沒有保證原子性之類的作用，保證原子性該加鎖還是要加鎖）。