Java内存模型Cookbook(三)多处理器

原文:http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html

作者:Doug Lea 翻译:古圣昌   校对:欧振聪,方腾飞

  1. 指令重排
  2. 内存屏障
  3. 多处理器
  4. 指南

本文总结了在多处理器(MPs)中常用的的处理器列表,处理器相关的信息都可以从链接指向的文档中得到(一些网站需要通过注册才能得到相应的手册)。当然,这不是一个完全详细的列表,但已经包括了我所知道的在当前或者将来Java实现中所使用的多核处理器。下面所述的关于处理器的列表和内容也不一定权威。我只是总结一下我所阅读过的文档,但是这些文档也有可能是被我误解了,一些参考手册也没有把Java内存模型(JMM)相关的内容阐述清楚,所以请协助我把本文变得更准确。

一些很好地讲述了跟内存屏障(barriers)相关的硬件信息和机器(machines)相关的特性的资料并没有在本文中列出来,如《Hans Boehm的原子操作库(Hans Boehm’s atomic_ops library)》,  《Linux内核源码(Linux Kernel Source)》, 和 《Linux可扩展性研究计划(Linux Scalability Effort)》。Linux内核中所需的内存屏障与这里讨论的是非常一致的,它已被移植到大多数处理器中。不同处理器所支持的潜在内存模型的相关描述,可以查阅Sarita Adve et al, Recent Advances in Memory Consistency Models for Hardware Shared-Memory Systems和 Sarita Adve and Kourosh Gharachorloo, Shared Memory Consistency Models: A Tutorial.

sparc-TSO

Ultrasparc 1, 2, 3 (sparcv9)都支持全存储顺序模式(TSO:Total Store Orde),Ultra3s只支持全存储顺序模式(TSO:Total Store Orde)。(Ultra1/2的RMO(Relax Memory Order)模式由于不再使用可以被忽略了)相关内容可进一步查看 UltraSPARC III Cu User’s Manual  The SPARC Architecture Manual, Version 9 

x86 (和 x64)

英特尔486+,AMD以及其他的处理器。在2005到2009年有很多规范出现,但当前的规范都几乎跟TSO一致,主要的区别在于支持不同的缓存模式,和极端情况下的处理(如不对齐的访问和特殊形式的指令)。可进一步查看The IA-32 Intel Architecture Software Developers Manuals: System Programming Guide 和 AMD Architecture Programmer’s Manual Programming

ia64

安腾处理器。可进一步查看 Intel Itanium Architecture Software Developer’s Manual, Volume 2: System Architecture

ppc (POWER)

尽管所有的版本都有相同的基本内存模型,但是一些内存屏障指令的名字和定义会随着时间变化而变化。下表中所列的是从Power4开始的版本;可以查阅架构手册获得更多细节。查看 MPC603e RISC Microprocessor Users ManualMPC7410/MPC7400 RISC Microprocessor Users Manual Book II of PowerPC Architecture BookPowerPC Microprocessor Family: Software reference manualBook E- Enhanced PowerPC ArchitectureEREF: A Reference for Motorola Book E and the e500 Core。关于内存屏障的讨论请查看IBM article on power4 barriers, 和 IBM article on powerpc barriers.

arm

arm版本7以上。请查看 ARM processor specifications alpha 21264x和其他所以版本。请查看Alpha Architecture Handbook

pa-risc
HP pa-risc实现。请查看pa-risc 2.0 Architecture手册。

下面是这些处理器所支持的屏障和原子操作:

Processor LoadStore LoadLoad StoreStore StoreLoad Data
dependency
orders loads?
Atomic
Conditional
Other
Atomics
Atomics
provide
barrier?
sparc-TSO 不执行操作 不执行操作 不执行操作 membar
(StoreLoad)
CAS:
casa
swap,
ldstub
全部
x86 不执行操作 不执行操作 不执行操作 mfence or
cpuid or
locked insn
CAS:
cmpxchg
xchg,
locked insn
全部
ia64 combine

st.rel 或者
ld.acq
ld.acq st.rel mf CAS:
cmpxchg
xchg,
fetchadd
部分 +
acq/rel
arm dmb
(见下文)
dmb
(见下文)
dmb-st dmb 只能间接 LL/SC:
ldrex/strex
仅针对部分
ppc lwsync
(见下文)
lwsync
(见下文)
lwsync hwsync 只能间接 LL/SC:
ldarx/stwcx
仅针对部分
alpha mb mb wmb mb LL/SC:
ldx_l/stx_c
仅针对部分
pa-risc 不执行操作 不执行操作 不执行操作 不执行操作 build
from
ldcw
ldcw

说明:

  • 尽管上面一些单元格中所列的屏障指令比实际需要的特性更强,但可能是最廉价的方式获得所需要的效果。
  • 上面所列的屏障指令主要是为正常的程序内存的使用而设计的,IO和系统任务就没有必要用特别形式/模式的缓存和内存。举例来说,在x86 SPO中,StoreStore屏障指令(“sfence”)需要写合并(WC)缓存模式,其目的是用在系统级的块传输等地方。操作系统为程序和数据使用写回(Writeback)模式,这就不需要StoreStore屏障了。
  • 在x86中,任何lock前缀的指令都可以用作一个StoreLoad屏障。(在Linux内核中使用的形式是无操作的lock指令,如addl $0,0(%%esp)。)。除非必须需要使用像CAS这样lock前缀的指令,否则使用支持SSE2扩展版本(如奔腾4及其后续版本)的mfence指令似乎是一个更好的方案。cpuid指令也是可以用的,但是比较慢。
  • 在ia64平台上,LoadStore,LoadLoad和StoreStore屏障被合并成特殊形式的load和store指令–它们不再是一些单独的指令。ld.acq就是(load;LoadLoad+LoadStore)和st.rel就是(LoadStore+StoreStore;store)。这两个都不提供StoreLoad屏障–因此你需要一个单独的mf屏障指令。
  • 在ARM和ppc平台中,就有可能通过non-fence-based指令序列取代load fences。这些序列和以及他们应用的案例在Cambridge Relaxed Memory Concurrency Group著作中都有描述。
  • sparc membar指令不但支持所有的4种屏障模式,而且还支持组合模式。但是StoreLoad模式需要在TSO中。在一些UltraSparcs中,不管任何模式下membar指令总是能让StoreLoad生效。
  • 在与这些流指令有关的情况中,X86处理器支持”streaming SIMD” SSE2扩展只需要LoadLoad ‘lfence’
  • 虽然PA-RISC规范并不强制规定,但所有HP PA-RISC的实现都是顺序一致,因此没有内存屏障指令。
  • 唯一的在pa-risc上的原始原子操作(atomic primitive)是ldcw, 一种test-and-set的形式,通过它你可以使用一些技术建立原子条件更新(atomic conditional updates),这些技术在 HP white paper on spinlocks中可以找到.
  • 在不同的字段宽度(field width,包括4个字节和8个字节版本)里,CAS和LL/SC在不同的处理器上会使用多种形式。
  • 在sparc和x86处理器中,CAS有隐式的前后全StoreLoad屏障。sparcv9架构手册描述了CAS不需要post-StoreLoad屏障特性,但是芯片手册表明它确实在ultrasparcs中存在这个特性。
  • 只有在内存区域进行加载和存储(loaded/stored)时,ppc和alpha, LL/SC才会有隐式的屏障,但它不再有更通用的屏障特性。
  • 在内存区域中进行加载或存储时, ia64 cmpxchg指令也会有隐式的屏障,但还会额外加上可选的.acq(post-LoadLoad+LoadStore)或者.rel(pre-StoreStore+LoadStore)修改指令。cmpxchg.acq形式可用于MonitorEnter,cmpxchg.rel可用于MonitorExit。在上述的情况中,exits和enters在没有被确定匹配的情况下,就需要ExitEnter(StoreLoad)屏障。
  • Sparc,x86和ia64平台支持unconditional-exchange (swap, xchg). Sparc ldstub是一个one-byte test-and-set。 ia64 fetchadd返回前一个值并把它加上去。在x86平台,一些指令(如add-to-memory)能够使用lock前缀的指令执行原子操作。

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古 圣昌

BGI 开发工程师

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  • 评论 (1)
  1. 学习啦 还没了解这么细那

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