C# volatile 和 interlocked 如何影响 cpu 缓存答案

【问题标题】：C# How volatile and interlocked affect cpu cacheC# volatile 和 interlocked 如何影响 cpu 缓存
【发布时间】：2020-11-21 04:19:22
【问题描述】：

我试图了解 c# 中的易失性读/写和互锁操作如何影响处理器缓存。

我在某些地方读到这两个操作都会刷新处理器缓存。我想知道是不是真的？
如果他们刷新缓存，他们是怎么做的。例如，使用了哪些汇编指令？
如果他们刷新缓存，是否会刷新正在执行的 cpu 的整个缓存？还是只是缓存行？
如果他们刷新缓存，它将如何影响其他处理器的缓存？它们是否使其他 cpu 缓存无效，因此在其他处理器中执行的代码通过非易失性读取获得更新的值？

我在网上找不到太多关于此的信息。我对汇编语言非常擅长，所以我自己无法弄清楚。对此有任何想法。

【问题讨论】：

1.这是错误的。他们刷新存储缓冲区到缓存。缓存是连贯的，不需要为其他内核刷新以查看您的存储。 software.rajivprab.com/2018/04/29/… 相当不错。（Microsoft 的“Interlocked*”函数只是带有 lock 前缀的指令的 AFAIK（在 x86 上）包装器，因此您读到的关于它们的所有内容都适用，并阻止编译时围绕操作重新排序，即使它是内联的。）

标签： c# clr atomic cpu-architecture coreclr

【解决方案1】：

缓存是连贯的，不需要为其他内核刷新以查看您在我们运行多个线程的所有 CPU 内核上的存储（请参阅this）。 https://software.rajivprab.com/2018/04/29/myths-programmers-believe-about-cpu-caches/ 也不错。因此，原子操作没有理由刷新它们操作的缓存行。

1.是错误的。 联锁操作将存储缓冲区刷新到到缓存，并且是内存排序的完整屏障，但之后不要将行从缓存中逐出。重复的lock add [mem], 1 (x86 InterlockedAdd) 可以命中缓存。

(volatile 存储类似，但不是 RMW。volatile 加载对缓存没有影响，超出普通加载的影响。我不知道 C# volatile 存储是否刷新存储缓冲区，或者如果他们只是release（不是seq_cst）订购。这个答案的其余大部分都适用于易失性和互锁，但我在写它时只是考虑原子RMW。）

在一个 Interlocked 操作之后，该行将在此内核的缓存中处于 MESI 修改状态。（尽管如果来自另一个核心的线路请求到达，而该原子 RMW 保持它由该核心拥有，它可能会在 RMW 完成时将 MESI 状态更改为共享或无效，但这将是由于来自另一个核心的请求正在处理的核心，而不是由于互锁操作本身。）这意味着它将在所有其他核心的私有缓存中无效。

（Microsoft 的“Interlocked*”函数只是带有 lock 前缀的指令的 AFAIK（在 x86 上）包装器，因此您读到的关于它们的所有内容都适用，并且即使它内联也阻止编译时重新排序操作。如果C# 互锁操作与同名的 Windows C 函数不完全相同，这个答案可能需要完全正确，但我希望它们对相同命名的函数遵循相同的设计，因为具有 seq_cst 排序的原子 RMW 是一个漂亮的公开的标准东西。）

参见https://preshing.com/20120930/weak-vs-strong-memory-models/ - x86 具有“强”内存模型，弱序机器上的互锁函数是原子 RMW + 全屏障，就像在 x86 上一样。（但要实现这一点需要多条指令，障碍与原子 RMW 分开。）就像 C++ memory_order_seq_cst 操作一样。

有关存储缓冲区以及 CPU 为何需要它们的更多信息，请参阅Can a speculatively executed CPU branch contain opcodes that access RAM?。存储缓冲区自然会创建StoreLoad reordering（x86 唯一允许的类型，也是最昂贵的阻塞类型。）

【讨论】：

感谢您的详细解释。是的，这消除了这种困惑。那么是否只有将存储缓冲区刷新到缓存的联锁操作（不是易失性写入）？
@ThanujaDilhan：根据docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/…，volatile 保证按顺序查看易失性写入（所以release ordering）。该文档没有提到任何需要耗尽存储缓冲区的内容（例如顺序一致性），甚至说不保证单个总订单。
IIRC，MSVC++ volatile 基本上只是 release，所以这与他们在 C# 中给出的含义一致。（从历史上看，在 MSVC++ 中，volatile 只是没有编译时重新排序与其他访问包括非易失性访问（ISO C++ 不需要），并且在 x86 上赋予它获取/释放语义在 MSVC++ 中，因为强大的硬件内存模型。但在其他没有以这种方式扩展 C++ volatile 含义的编译器中当然不会。不过，如果 C# 的设计选择/命名受到 MSVC++ 的古怪影响，我不会感到惊讶。 )
谢谢@Peter Cords。