英特尔开发人员手册中的“存储缓冲区转发”是什么意思？

Question

Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manual 表示 遵循单个处理器对操作的重新排序（第 8.2.2 节， “P6 和最新处理器系列中的内存排序”）：

读取可能会随着旧写入到不同位置而重新排序，但 不是旧的写入相同的位置。

然后在下面讨论与之前相比放松的地方 处理器，它说：

存储缓冲区转发，当读取将写入传递到同一内存时 位置。

据我所知，“存储缓冲区转发”没有精确定义 任何地方（也不是“通过”）。读通过写是什么意思 到这里的同一个位置，因为上面说不能读取 重新排序并写入相同的位置？

Answer 1

命名有点别扭。 “转发”发生在核心/逻辑处理器内部，如下所示。如果您首先执行 STORE，它将进入存储缓冲区以异步刷新到内存。如果您在将值刷新到缓存/内存之前对同一处理器上的同一位置执行后续加载，则存储缓冲区中的值将被“转发”，您将获得刚刚存储的值。读取正在“传递”写入，因为它发生在从存储缓冲区到内存的实际写入之前（尚未发生）。

如果您只关心排序规则，该声明实际上并没有说太多 - 这个转发是他们内部所做的事情的细节，以保证（在处理器上）读取不会与旧写入重新排序到同一位置（您引用的规则的一部分）。

尽管此处有其他一些答案，但（至少就订购保证而言）处理器/内核之间没有存储缓冲区转发/窥探，因为 8.2.3.5 “允许处理器内转发”手册中的示例显示。

Answer 2

我猜想挂断是“存储缓冲区”的概念。起点是处理器核心速度和内存速度之间的巨大差距。现代核心可以轻松地在一纳秒内执行十几条指令。但是一个 RAM 芯片可能需要 150 纳秒来传递一个存储在内存中的值。这是一个巨大的不匹配，现代处理器充满了解决这个问题的技巧。

读取是更难解决的问题，当处理器需要等待内存子系统传递值时，它会停止并且不执行任何代码。处理器中一个重要的子单元是预取器。它试图预测程序将加载哪些内存位置。所以它可以告诉内存子系统提前读取它们。因此，物理读取的发生比程序中的逻辑加载要快得多。

写入更容易，处理器为它们提供了一个缓冲区。将它们建模为软件中的队列。因此执行引擎可以快速地将存储指令转储到队列中，而不会陷入等待物理写入发生的困境。这是存储缓冲区。因此，对内存的物理写入比程序中的逻辑存储要晚得多。

当您的程序使用多个线程并且它们访问相同的内存位置时，问题就开始了。这些线程将在不同的内核上运行。许多问题与此有关，排序变得非常重要。显然，预取器执行的早期读取会导致它读取过时的值。存储缓冲区执行的延迟写入使情况变得更糟。解决它需要线程之间的同步。这是非常昂贵的，处理器很容易停止几十纳秒，等待内存子系统赶上。它们实际上可以使程序变慢，而不是线程使您的程序更快。

处理器可以提供帮助，存储缓冲区转发就是这样一种技巧。当存储仍在缓冲区中且尚未执行时，一个线程中的逻辑读取可以传递由另一个线程发起的物理写入。程序中如果没有同步，总是会导致线程读取一个过时的值。存储缓冲区转发所做的是查看缓冲区中的待处理存储，并找到与读取地址匹配的最新写入。这会及时“转发”存储，使其看起来比实际执行得更早。线程获取实际值；那个，最终，在记忆中结束。读取不再通过写入。

实际上编写一个利用存储缓冲区转发的程序是相当不可取的。从 非常 不确定的时间来看，这样的程序将非常非常糟糕地移植。英特尔处理器具有强大的内存模型以及它提供的订购保证。但你不能忽视如今在移动设备上流行的那种处理器。 不提供这样的保证会消耗更少的能量。

而且该功能实际上可能非常有害，它隐藏了代码中的同步错误。它们是最难诊断的错误。在过去的 30 年中，微处理器取得了惊人的成功。然而，他们并没有变得更容易编程。

Answer 3

8.2.3.5 “允许处理器内转发”解释了存储缓冲区转发的示例：

最初 x = y = 0

    Processor 0             Processor 1
   ==============          =============
    mov [x], 1              mov [y], 1
    mov r1, [x]             mov r3, [y]
    mov r2, [y]             mov r4, [x]

r2 == 0 和 r4 == 0 的结果是允许的。

...本例中的重新排序可能是存储缓冲区转发的结果。虽然存储暂时保存在处理器的存储缓冲区中，但它可以满足处理器自己的负载，但对其他处理器不可见（也无法满足）负载。

声明不能通过写入同一位置来重新排序读取（“读取可能会随着对不同位置的较旧写入而重新排序，但不能在较旧写入相同位置时重新排序”）位于适用于“用于定义为可回写高速缓存的内存区域的单处理器系统”。 “存储缓冲区转发”行为仅适用于多处理器行为。