可以在没有互斥锁的情况下读取和验证共享内存吗？

Question

在 Linux 上，我使用 shmget 和 shmat 设置一个共享内存段，一个进程将写入该共享内存段，一个或多个进程将读取该段。共享的数据大小为几兆字节，更新时会完全重写；它从未部分更新。

我的共享内存段布局如下：

------------------------- | t₀ |实际数据 | t₁ | -------------------------

其中 t₀ 和 t₁ 是写入器开始更新的时间的副本（具有足够的精度，以保证连续更新具有不同的时间）。写入器首先写入 t₁，然后复制数据，然后写入 t₀。另一方面，阅读器读取 t₀，然后是数据，然后是 t₁。如果读取器获得相同的 t₀ 和 t₁ 值，则认为数据一致且有效，否则，它会重试。

这个程序是否确保如果读者认为数据是有效的，那么它实际上是有效的？

我是否需要担心乱序执行 (OOE)？如果是这样，使用memcpy 获取整个共享内存段的读者会克服读者方面的OOE 问题吗？ （这假设memcpy 执行它的复制线性并通过地址空间升序。这个假设是否有效？）

Answer 1

现代硬件实际上绝不是顺序一致的。因此，如果您不在适当的位置执行内存屏障，则不能保证这样工作。之所以需要屏障，是因为该架构实现了比顺序一致性更弱的共享内存一致性模型。这本身与流水线或 OoO 无关，而是允许多个处理器有效地并行访问内存系统。参见例如Shared memory consistency models: A tutorial。在单处理器上，您不需要屏障，因为所有代码都在该处理器上按顺序执行。

此外，不需要有两个时间字段，序列计数可能是更好的选择，因为无需担心两个更新是否如此接近以至于它们获得相同的时间戳，并且更新计数器要快得多而不是获取当前时间。此外，时钟不可能及时向后移动，这可能会发生，例如当 ntpd 调整时钟漂移时。虽然最后一个问题可以在 Linux 上通过使用 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...) 来解决。使用序列计数器而不是时间戳的另一个优点是您只需要一个序列计数器。写入器在写入数据之前和写入完成之后都会增加计数器。然后读取器读取序列号，检查它是否是偶数，如果是，则读取数据，最后再次读取序列号并与第一个序列号进行比较。如果序号为奇数，则表示正在写入，无需读取数据。

Linux 内核使用了一个名为seqlocks 的锁定原语，它执行上述操作。如果你不怕“GPL污染”，可以google一下实现；因此，这是微不足道的，但诀窍是正确设置障碍。

Answer 2

Joe Duffy 给出完全相同的算法并将其称为："A scalable reader/writer scheme with optimistic retry"。

它有效。
您需要两个序列号字段。

您需要以相反的顺序读取和写入它们。
您可能需要设置内存屏障，具体取决于memory ordering guarantees of the system。

具体来说，当读者和写者分别访问t₀或t₁进行读写时，你需要读取获取和存储释放语义。

实现这一点需要哪些指令，取决于架构。例如。在 x86/x64 上，因为有比较强的保证 one needs no machine specific barriers at all in this specific case*。

_{* 仍然需要确保编译器/JIT 不会弄乱加载和存储，例如通过使用volatile（在 Java 和 C# 中的含义与在 ISO C/C++ 中的含义不同。但是，编译器可能会有所不同。例如，将 VC++ 2005 或更高版本与 volatile 一起使用是安全的。请参阅"Microsoft Specific" section。也可以在 x86/x64 上使用其他编译器完成。应该检查发出的汇编代码，并且必须确保不访问 t0 和 t1被编译器消除或移动。）}

_{附带说明，如果您需要MFENCE，lock or [TopOfStack],0 可能是更好的选择，depending on your needs。}