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内存屏障指令

news 来源：原创 2025/7/4 13:15:34

一、理解内存屏障（Memory Barrier）

开发者显然不明白一个事实——程序实际运行时很可能并不完全按照开发者编写的顺序访问内存，因为现代计算机为了提高性能而采取乱序执行，内存乱序访问主要发生在如下两个阶段：

编译时。编译器优化导致内存乱序访问。
执行时。多个 CPU 的交互引起内存乱序访问。

1.1 编译

编译器会把符合人类思维逻辑的高级语言代码（如 C 语言的代码）翻译成符合 CPU 运算
规则的汇编指令。编译器会在翻译成汇编指令时对其进行优化，如内存访问指令的重新排序可
以提高指令级并行效率。然而，这些优化可能会与程序员原始的代码逻辑不符，导致一些错误
发生。编译时的乱序访问可以通过 barrier()函数来规避。
#define barrier() __asm__ __volatile__ ("" ::: "memory")

1.2 执行

于现代处理器普遍采用超标量架构、乱序发射以及乱序执行等技术来提高指令级并行效
率，因此指令的执行序列在处理器流水线中可能被打乱，与程序代码编写时的序列不一致，这
就产生了程序员错觉——处理器访问内存的次序与代码的次序相同。
另外，现代处理器采用多级存储结构，如何保证处理器对存储子系统访问的正确性也是一
大挑战。

二、内存屏障指令

ARMv8 指令集提供了 3 条内存屏障指令。

2.1 数据存储屏障（Data Memory Barrier， DMB）指令：仅当所有在它前面的存储器访问操作都执行完毕后，才提交（commit）在它后面的访问指令。 DMB 指令保证的是DMB 指令之前的所有内存访问指令和 DMB 指令之后的所有内存访问指令的执行顺序。也就是说， DMB 指令之后的内存访问指令不会被处理器重排到 DMB 指令的前面。 DMB 指令不会保证内存访问指令在内存屏障指令之前完成，它仅仅保证内存屏障指令前后的内存访问的执行顺序。 DMB 指令仅仅影响内存访问指令、数据高速缓存指令以及高速缓存管理指令等，并不会影响其他指令（例如算术运算指令等）的顺序。

2.2 数据同步屏障（Data Synchronization Barrier， DSB）指令：比 DMB 指令要严格一些，仅当所有在它前面的内存访问指令都执行完毕后，才会执行在它后面的指令，即任何指令都要等待 DSB 指令前面的内存访问指令完成。位于此指令前的所有缓存（如分支预测和 TLB 维护）操作需要全部完成。

2.3 指令同步屏障（Instruction Synchronization Barrier， ISB）指令：确保所有在 ISB 指令之后的指令都从指令高速缓存或内存中重新预取。它刷新流水线（flush pipeline）和预取缓冲区后才会从指令高速缓存或者内存中预取 ISB 指令之后的指令。 ISB 指令通常用来保证上下文切换（如 ASID 更改、 TLB 维护操作等）的效果。

参考：

什么是内存屏障（Memory Barriers） - CharyGao - 博客园

https://zhuanlan.zhihu.com/p/675488927

一、理解内存屏障（Memory Barrier）

二、内存屏障指令

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