x86 CPU有多少個內存屏障指令？

Question

我發現x86 CPU具有以下內存屏障指令： mfence ， lfence和sfence 。

x86 CPU是否僅具有這三個內存屏障指令，或者還有更多指令？

Answer 1

sfence （SSE1）和mfence / lfence （SSE2）是唯一以其存儲器圍牆/屏障功能命名的指令 。 除非您使用NT加載或存儲和/或WC內存， mfence僅需mfence即可進行內存排序。

（請注意， lfence Intel CPU的也是亂序執行的障礙，因此它可以序列rdtsc ，是幽靈緩解，防止投機性執行是有用的。在AMD，還有一個必須設置一個MSR，否則lfence nop是nop （ nop 4個吞吐量）。該MSR是通過Spectre緩解微代碼更新引入的，通常由更新的內核設置。）

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lock等編指令lock add [mem], eax是滿存儲器的障礙 。 鎖xchg的行為與mfence相同嗎？ 。 （雖然可能沒有那么強的mfence從WC內存排序NT負載： 不要鎖定指令提供弱有序訪問之間的屏障？ ）。 xchg [mem], reg具有隱式lock前綴，因此它也是一個障礙。

在我對Skylake進行的測試中 ， lock指令確實會阻止使用此代碼https://godbolt.org/g/7Q9xgz的常規商店對NT商店進行重新排序。

xchg似乎是進行seq-cst存儲的好方法，尤其是在Intel硬件（例如Skylake）上，其中mfence還會阻止無序執行純ALU指令 ，例如lfence ：請參閱此答案的底部 。

AMD還建議使用xchg或其他鎖定的指令代替mfence 。 （ mfence在AMD手冊中記錄為在AMD上序列化，因此始終會阻止OoO執行程序。）

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對於沒有SSE的32位目標上的順序一致性存儲或完全屏障，編譯器通常僅出於內存屏障的效果而使用lock or [esp], 0或其他無操作鎖定的指令。 這就是g++7.3 -O3 -m32 -mno-sse對std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst); 。

但是無論如何，無論某些CPU的實現細節如何， mfence或lock insns都沒有在架構上定義為在Intel上進行序列化 。

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諸如cpuid類的完整序列化指令也是完整的內存屏障 ，耗盡了存儲緩沖區並刷新了管道。 鎖xchg的行為與mfence相同嗎？ 引用了英特爾手冊中的相關報價。

在Intel處理器上，以下是架構上的序列化說明（來自： https : //xem.github.io/minix86/manual/intel-x86-and-64-manual-vol3/o_fe12b1e2a880e0ce-273.html ）：

• 特權序列化指令 -INVD，INVEPT，INVLPG，INVVPID，LGDT，LIDT，LLDT，LTR，MOV到控制寄存器，MOV（到調試寄存器），WBINVD和WRMSR。

  例外： MOV CR8未序列化。 IA32_TSC_DEADLINE MSR的WRMSR （MSR索引6E0H）和X2APIC MSR（MSR索引802H至83FH）未序列化。

• 非特權序列化指令 -CPUID，IRET ¹和RSM

在AMD處理器上，以下是架構上的序列化說明：

• 特權序列化指令 -INVD，INVLPG，LGDT，LIDT，LLDT，LTR，MOV到控制寄存器，MOV（到調試寄存器），WBINVD，WRMSR和SWAPGS。

• 非特權序列化指令 -MFENCE，CPUID，IRET和RSM

英特爾處理器上的“ [完全]序列化指令”一詞與AMD處理器具有相同的含義，只是有一個區別：只有在AMD上， MFENCE才針對后續指令對CLFLUSH （而非CLFLUSHOPT ）的高速緩存行刷新操作進行排序。處理器。

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in / out （以及它們的字符串副本版本ins和outs ）是完整的內存屏障，並且也是部分序列化的（例如lfence ）。 文檔說他們將下一條指令的執行延遲到I / O事務的“數據階段”之后。

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腳注：

（1）根據BJ137（桑迪橋（Sandy Bridge）），HSD152（Haswell），BDM103（Broadwell）：

問題：通過從嵌套任務返回而導致任務切換的IRET指令不會序列化處理器（與軟件開發人員手冊第3卷的標題為“序列化指令”的部分相反）。

含義：在任務切換過程中依賴IRET序列化屬性的軟件可能無法正常運行。 英特爾尚未觀察到這種錯誤，不會影響任何市售軟件的運行。

解決方法：未確定。 如果需要序列化，軟件可以在IRET指令之前立即執行MFENCE指令。

Answer 2

沒錯，x86 CPU上僅有的三個內存屏障功能是：

LFENCE

SFENCE

MFENCE