Java内存模型Cookbook(三)多处理器

原文：http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html

作者：Doug Lea 翻译：古圣昌   校对：欧振聪，方腾飞

1. 指令重排
2. 内存屏障
3. 多处理器
4. 指南

本文总结了在多处理器(MPs)中常用的的处理器列表，处理器相关的信息都可以从链接指向的文档中得到（一些网站需要通过注册才能得到相应的手册）。当然，这不是一个完全详细的列表，但已经包括了我所知道的在当前或者将来Java实现中所使用的多核处理器。下面所述的关于处理器的列表和内容也不一定权威。我只是总结一下我所阅读过的文档，但是这些文档也有可能是被我误解了，一些参考手册也没有把Java内存模型(JMM)相关的内容阐述清楚，所以请协助我把本文变得更准确。

一些很好地讲述了跟内存屏障(barriers)相关的硬件信息和机器(machines)相关的特性的资料并没有在本文中列出来，如《Hans Boehm的原子操作库(Hans Boehm’s atomic_ops library)》,  《Linux内核源码(Linux Kernel Source)》, 和 《Linux可扩展性研究计划(Linux Scalability Effort)》。Linux内核中所需的内存屏障与这里讨论的是非常一致的，它已被移植到大多数处理器中。不同处理器所支持的潜在内存模型的相关描述，可以查阅Sarita Adve et al, Recent Advances in Memory Consistency Models for Hardware Shared-Memory Systems和 Sarita Adve and Kourosh Gharachorloo, Shared Memory Consistency Models: A Tutorial.

sparc-TSO

Ultrasparc 1, 2, 3 (sparcv9)都支持全存储顺序模式（TSO:Total Store Orde)，Ultra3s只支持全存储顺序模式（TSO:Total Store Orde)。(Ultra1/2的RMO(Relax Memory Order)模式由于不再使用可以被忽略了)相关内容可进一步查看 UltraSPARC III Cu User’s Manual 和 The SPARC Architecture Manual, Version 9 。

x86 (和 x64)

英特尔486+，AMD以及其他的处理器。在2005到2009年有很多规范出现，但当前的规范都几乎跟TSO一致，主要的区别在于支持不同的缓存模式，和极端情况下的处理(如不对齐的访问和特殊形式的指令)。可进一步查看The IA-32 Intel Architecture Software Developers Manuals: System Programming Guide 和 AMD Architecture Programmer’s Manual Programming。

ia64

安腾处理器。可进一步查看 Intel Itanium Architecture Software Developer’s Manual, Volume 2: System Architecture。

ppc (POWER)

尽管所有的版本都有相同的基本内存模型，但是一些内存屏障指令的名字和定义会随着时间变化而变化。下表中所列的是从Power4开始的版本；可以查阅架构手册获得更多细节。查看 MPC603e RISC Microprocessor Users Manual, MPC7410/MPC7400 RISC Microprocessor Users Manual , Book II of PowerPC Architecture Book, PowerPC Microprocessor Family: Software reference manual, Book E- Enhanced PowerPC Architecture, EREF: A Reference for Motorola Book E and the e500 Core。关于内存屏障的讨论请查看IBM article on power4 barriers, 和 IBM article on powerpc barriers.

arm

arm版本7以上。请查看 ARM processor specifications alpha 21264x和其他所以版本。请查看Alpha Architecture Handbook

pa-risc
HP pa-risc实现。请查看pa-risc 2.0 Architecture手册。

下面是这些处理器所支持的屏障和原子操作：

说明：

• 尽管上面一些单元格中所列的屏障指令比实际需要的特性更强，但可能是最廉价的方式获得所需要的效果。
• 上面所列的屏障指令主要是为正常的程序内存的使用而设计的，IO和系统任务就没有必要用特别形式/模式的缓存和内存。举例来说，在x86 SPO中，StoreStore屏障指令(“sfence”)需要写合并(WC)缓存模式，其目的是用在系统级的块传输等地方。操作系统为程序和数据使用写回(Writeback)模式，这就不需要StoreStore屏障了。
• 在x86中，任何lock前缀的指令都可以用作一个StoreLoad屏障。（在Linux内核中使用的形式是无操作的lock指令，如addl $0,0(%%esp)。)。除非必须需要使用像CAS这样lock前缀的指令，否则使用支持SSE2扩展版本（如奔腾4及其后续版本）的mfence指令似乎是一个更好的方案。cpuid指令也是可以用的，但是比较慢。
• 在ia64平台上，LoadStore，LoadLoad和StoreStore屏障被合并成特殊形式的load和store指令–它们不再是一些单独的指令。ld.acq就是(load;LoadLoad+LoadStore)和st.rel就是(LoadStore+StoreStore;store)。这两个都不提供StoreLoad屏障–因此你需要一个单独的mf屏障指令。
• 在ARM和ppc平台中，就有可能通过non-fence-based指令序列取代load fences。这些序列和以及他们应用的案例在Cambridge Relaxed Memory Concurrency Group著作中都有描述。
• sparc membar指令不但支持所有的4种屏障模式，而且还支持组合模式。但是StoreLoad模式需要在TSO中。在一些UltraSparcs中，不管任何模式下membar指令总是能让StoreLoad生效。
• 在与这些流指令有关的情况中，X86处理器支持”streaming SIMD” SSE2扩展只需要LoadLoad ‘lfence’
• 虽然PA-RISC规范并不强制规定，但所有HP PA-RISC的实现都是顺序一致，因此没有内存屏障指令。
• 唯一的在pa-risc上的原始原子操作(atomic primitive)是ldcw, 一种test-and-set的形式，通过它你可以使用一些技术建立原子条件更新(atomic conditional updates)，这些技术在 HP white paper on spinlocks中可以找到.
• 在不同的字段宽度(field width，包括4个字节和8个字节版本）里，CAS和LL/SC在不同的处理器上会使用多种形式。
• 在sparc和x86处理器中，CAS有隐式的前后全StoreLoad屏障。sparcv9架构手册描述了CAS不需要post-StoreLoad屏障特性，但是芯片手册表明它确实在ultrasparcs中存在这个特性。
• 只有在内存区域进行加载和存储(loaded/stored)时，ppc和alpha, LL/SC才会有隐式的屏障，但它不再有更通用的屏障特性。
• 在内存区域中进行加载或存储时, ia64 cmpxchg指令也会有隐式的屏障，但还会额外加上可选的.acq（post-LoadLoad+LoadStore）或者.rel（pre-StoreStore+LoadStore)修改指令。cmpxchg.acq形式可用于MonitorEnter，cmpxchg.rel可用于MonitorExit。在上述的情况中，exits和enters在没有被确定匹配的情况下，就需要ExitEnter(StoreLoad)屏障。
• Sparc,x86和ia64平台支持unconditional-exchange (swap, xchg). Sparc ldstub是一个one-byte test-and-set。 ia64 fetchadd返回前一个值并把它加上去。在x86平台，一些指令（如add-to-memory）能够使用lock前缀的指令执行原子操作。