早期的CPU是通過提高主頻來提升CPU的性能，但是隨著頻率“紅利”越來越困難的情況下，廠商開始用多核來提高CPU的計算能力。多核是指一個CPU裡有多個核心，在同一時間一個CPU能夠同時運行多個線程，通過這樣提高CPU的併發能力。

內存一致性模型（memory consistency model）就是用來描述多線程對共享存儲器的訪問行為，在不同的內存一致性模型裡，多線程對共享存儲器的訪問行為有非常大的差別。這些差別會嚴重影響程序的執行邏輯，甚至會造成軟件邏輯問題。在後面的介紹中，我們將分析不同的一致性模型裡，多線程的內存訪問亂序問題。

目前有多種內存一致性模型：

1. 順序存儲模型（sequential consistency model）
2. 完全存儲定序（total store order）
3. 部分存儲定序（part store order）
4. 寬鬆存儲模型（relax memory order）

一致性模型的特性

在後面我們會分析這幾個一致性模型的特性

在分析之前，我們先定義一個基本的內存模型，以這個內存模型為基礎進行分析

上圖是現代CPU的基本內存模型，CPU內部有多級緩存來提高CPU的load/store訪問速度（因為對於CPU而言，主存的訪問速度太慢了，上百個時鐘週期的內存訪問延遲會極大的降低CPU的使用效率，所以CPU內部往往使用多級緩存來提升內存訪問效率。）

C1與C2是CPU的2個核心，這兩個核心有私有緩存L1，以及共享緩存L2。最後一級存儲器才是主存。後面的順序一致性模型（SC）中，我們會以這個為基礎進行描述（在完全存儲定序、部分存儲定序和寬鬆內存模型裡會有所區別，後面會描述相關的部分）

為了簡化描述的複雜性，在下面的內存一致性模型描述裡，會先將緩存一致性（cache coherence）簡單化，認為緩存一致性是完美的（假設多核cache間的數據同步與單核cache一樣，沒有cache引起的數據一致性問題），以減少描述的複雜性。

順序存儲模型

順序存儲模型是最簡單的存儲模型，也稱為強定序模型。CPU會按照代碼來執行所有的load與store動作，即按照它們在程序的順序流中出現的次序來執行。從主存儲器和CPU的角度來看，load和store是順序地對主存儲器進行訪問。

下面分析這段代碼的執行結果

在順序存儲器模型裡，MP（多核）會嚴格嚴格按照代碼指令流來執行代碼

所以上面代碼在主存裡的訪問順序是：

S1 S2 L1 L2

通過上面的訪問順序我們可以看出來，雖然C1與C2的指令雖然在不同的CORE上運行，但是C1發出來的訪問指令是順序的，同時C2的指令也是順序的。雖然這兩個線程跑在不同的CPU上，但是在順序存儲模型上，其訪問行為與UP（單核）上是一致的。

我們最終看到r2的數據會是NEW，與期望的執行情況是一致的，所以在順序存儲模型上是不會出現內存訪問亂序的情況

完全存儲定序

為了提高CPU的性能，芯片設計人員在CPU中包含了一個存儲緩存區（store buffer），它的作用是為store指令提供緩衝，使得CPU不用等待存儲器的響應。所以對於寫而言，只要store buffer裡還有空間，寫就只需要1個時鐘週期（哪怕是ARM-A76的L1 cache，訪問一次也需要3個cycles，所以store buffer的存在可以很好的減少寫開銷），但這也引入了一個訪問亂序的問題。

首先我們需要對上面的基礎內存模型做一些修改，表示這種新的內存模型

相比於以前的內存模型而言，store的時候數據會先被放到store buffer裡面，然後再被寫到L1 cache裡。

首先我們思考單核上的兩條指令：

\tS1：store flag= set
\tS2：load r1=data
\tS3：store b=set

如果在順序存儲模型中，S1肯定會比S2先執行。但是如果在加入了store buffer之後，S1將指令放到了store buffer後會立刻返回，這個時候會立刻執行S2。S2是read指令，CPU必須等到數據讀取到r1後才會繼續執行。這樣很可能S1的store flag=set指令還在store buffer上，而S2的load指令可能已經執行完（特別是data在cache上存在，而flag沒在cache中的時候。這個時候CPU往往會先執行S2，這樣可以減少等待時間）

這裡就可以看出再加入了store buffer之後，內存一致性模型就發生了改變。

如果我們定義store buffer必須嚴格按照FIFO的次序將數據發送到主存（所謂的FIFO表示先進入store buffer的指令數據必須先於後面的指令數據寫到存儲器中），這樣S3必須要在S1之後執行，CPU能夠保證store指令的存儲順序，這種內存模型就叫做完全存儲定序（TSO）。

我們繼續看下面的一段代碼

在SC模型裡，C1與C2是嚴格按照順序執行的

代碼可能的執行順序如下：

\tS1 S2 L1 L2
\tS1 L1 S2 L2
\tS1 L1 L2 S2
\tL1 L2 S1 S2
\tL1 S1 S2 L2
\tL1 S1 L2 S2

由於SC會嚴格按照順序進行，最終我們看到的結果是至少有一個CORE的r1值為NEW，或者都為NEW。

在TSO模型裡，由於store buffer的存在，L1和S1的store指令會被先放到store buffer裡面，然後CPU會繼續執行後面的load指令。Store buffer中的數據可能還沒有來得及往存儲器中寫，這個時候我們可能看到C1和C2的r1都為0的情況。

所以，我們可以看到，在store buffer被引入之後，內存一致性模型已經發生了變化（從SC模型變為了TSO模型），會出現store-load亂序的情況，這就造成了代碼執行邏輯與我們預先設想不相同的情況。而且隨著內存一致性模型越寬鬆（通過允許更多形式的亂序讀寫訪問），這種情況會越劇烈，會給多線程編程帶來很大的挑戰。

部分存儲定序

芯片設計人員並不滿足TSO帶來的性能提升，於是他們在TSO模型的基礎上繼續放寬內存訪問限制，允許CPU以非FIFO來處理store buffer緩衝區中的指令。CPU只保證地址相關指令在store buffer中才會以FIFO的形式進行處理，而其他的則可以亂序處理，所以這被稱為部分存儲定序（PSO）。

那我們繼續分析下面的代碼

S1與S2是地址無關的store指令，cpu執行的時候都會將其推到store buffer中。如果這個時候flag在C1的cahe中存在，那麼CPU會優先將S2的store執行完，然後等data緩存到C1的cache之後，再執行store data=NEW指令。

這個時候可能的執行順序：

S2 L1 L2 S1

這樣在C1將data設置為NEW之前，C2已經執行完，r2最終的結果會為0，而不是我們期望的NEW，這樣PSO帶來的store-store亂序將會對我們的代碼邏輯造成致命影響。

從這裡可以看到，store-store亂序的時候就會將我們的多線程代碼完全擊潰。所以在PSO內存模型的架構上編程的時候，要特別注意這些問題。

寬鬆內存模型

喪心病狂的芯片研發人員為了榨取更多的性能，在PSO的模型的基礎上，更進一步的放寬了內存一致性模型，不僅允許store-load，store-store亂序。還進一步允許load-load，load-store亂序， 只要是地址無關的指令，在讀寫訪問的時候都可以打亂所有load/store的順序，這就是寬鬆內存模型（RMO）。

我們再看看上面分析過的代碼

在PSO模型裡，由於S2可能會比S1先執行，從而會導致C2的r2寄存器獲取到的data值為0。在RMO模型裡，不僅會出現PSO的store-store亂序，C2本身執行指令的時候，由於L1與L2是地址無關的，所以L2可能先比L1執行，這樣即使C1沒有出現store-store亂序，C2本身的load-load亂序也會導致我們看到的r2為0。從上面的分析可以看出，RMO內存模型裡亂序出現的可能性會非常大，這是一種亂序隨可見的內存一致性模型。

內存屏障

芯片設計人員為了儘可能的榨取CPU的性能，引入了亂序的內存一致性模型，這些內存模型在多線程的情況下很可能引起軟件邏輯問題。為了解決在有些一致性模型上可能出現的內存訪問亂序問題，芯片設計人員提供給了內存屏障指令，用來解決這些問題。

內存屏障的最根本的作用就是提供一個機制，要求CPU在這個時候必須以順序存儲一致性模型的方式來處理load與store指令，這樣才不會出現內存訪問不一致的情況。

對於TSO和PSO模型，內存屏障只需要在store-load/store-store時需要（寫內存屏障），最簡單的一種方式就是內存屏障指令必須保證store buffer數據全部被清空的時候才繼續往後面執行，這樣就能保證其與SC模型的執行順序一致。

而對於RMO，在PSO的基礎上又引入了load-load與load-store亂序。RMO的讀內存屏障就要保證前面的load指令必須先於後面的load/store指令先執行，不允許將其訪問提前執行。

我們繼續看下面的例子：

例如C1執行S1與S2的時候，我們在S1與S2之間加上寫屏障指令，要求C1按照順序存儲模型來進行store的執行，而在C2端的L1與L2之間加入讀內存屏障，要求C2也按照順序存儲模型來進行load操作，這樣就能夠實現內存數據的一致性，從而解決亂序的問題。

ARM的很多微架構就是使用RMO模型，所以我們可以看到ARM提供的dmb內存指令有多個選項：

\tLD load-load/load-store
\tST store-store/store-load
\tSY any-any

這些選項就是用來應對不同情況下的亂序，讓其迴歸到順序一致性模型的執行順序上去。

本文修改自：http://www.wowotech.net/memory_management/456.html