為什么 `asm volatile(""::: "memory")` 可以用作編譯器屏障？

Question

眾所周知， asm volatile (""::: "memory")可以用作編譯器屏障，以防止編譯器重新排序匯編指令。 例如，在https://preshing.com/20120625/memory-ordering-at-compile-time/的“顯式編譯器障礙”一節中提到了它。

但是，我能找到的所有文章都只提到asm volatile (""::: "memory")可以用作編譯器屏障，而沒有給出"memory" clobber 可以有效地形成編譯器屏障的原因。 GCC 在線文檔只說所有特殊的破壞者"memory"所做的就是告訴編譯器匯編代碼可能會執行 memory 讀取或寫入操作數列表中指定的操作以外的操作。 但是這樣的語義是如何導致編譯器停止對 memory 指令重新排序的嘗試呢？ 我試圖回答自己但失敗了，所以我在這里問：為什么asm volatile (""::: "memory")可以作為編譯器屏障，基於"memory" clobber 的語義？ 請注意，我問的是“編譯器屏障”（在編譯時有效），而不是更強的“內存屏障”（在運行時有效）。 為方便起見，我在下面的 GCC 在線文檔中摘錄了"memory"破壞者的語義：

"memory" clobber 告訴編譯器，匯編代碼執行 memory 讀取或寫入輸入和 output 操作數中列出的項目以外的項目（例如，訪問由輸入參數之一指向的 ZCD69B4957F06CD000D818D7BF3D619）。 為確保 memory 包含正確的值，GCC 可能需要在執行asm之前將特定寄存器值刷新到 memory。 此外，編譯器不假定在asm之前從 memory 讀取的任何值在asm之后保持不變； 它會根據需要重新加載它們。 有效地使用"memory"破壞器 forms 為編譯器提供讀/寫 memory 屏障。

Answer 1

如果一個變量可能被讀取或寫入，那么它發生的順序很重要。 "memory"破壞器的目的是確保asm語句中的讀取和/或寫入發生在程序執行的正確位置。

在asm語句之后發生在源中的 C 變量值的任何讀取必須在目標計算機的編譯器生成的程序集 output 中的內存破壞asm語句之后，否則它可能正在讀取 asm 語句之前的值改變了它。

在asm語句之前對源中的 C var 的任何讀取同樣必須保持之前的順序，否則它可能會錯誤地讀取修改后的值。

類似的推理適用於在任何帶有"memory" clobber 的asm語句之前/之后對 C 變量的賦值（寫入）。 就像 function 調用“不透明” function 一樣，編譯器無法看到的定義。

任何讀取或寫入都不能與屏障在任一方向上重新排序，因此屏障之前的任何操作都不能與屏障之后的任何操作重新排序，反之亦然。

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另一種看待它的方式：實際機器 memory 的內容必須與 C 抽象機相匹配。 編譯器生成的 asm 必須尊重這一點，通過在asm("":::"memory")語句開始之前將任何變量值從寄存器存儲到 memory 語句，然后它必須假設任何具有副本的寄存器變量值可能不再是最新的。 因此，如果需要，必須重新加載它們。

對於"memory" clobber，這種讀取所有內容/寫入所有內容的假設是使asm語句在編譯時完全不會重新排序的原因。 所有訪問，甚至volatile訪問。 volatile已經是一個沒有"=..." output 操作數的asm()語句隱含，並且是阻止它被完全優化的原因（以及 memory clobber）。

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請注意，只有可能“可達”的 C 變量會受到影響。 例如，只要 asm 語句本身沒有地址作為輸入，轉義分析仍然可以讓編譯器將本地int i保存在跨越"memory" clobber 的寄存器中。

就像 function 調用一樣： for (int i=0;i<10;i++) {foobar("%d\n", i);}可以將循環計數器保存在寄存器中，然后將其復制到第二個參數- 每次迭代都為 foobar 傳遞寄存器。 foobar 不可能有對i的引用，因為它的地址沒有存儲在任何地方或傳遞到任何地方。

（這對於 memory 屏障用例來說很好；也沒有其他線程可以擁有它的地址。）

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有關的：

• 互斥鎖和解鎖功能如何防止 CPU 重新排序？ - 為什么不透明的 function 調用用作編譯器屏障。
• 我如何表明可以使用內聯 ASM 參數*指向*的 memory？ - 非空asm語句（或其他虛擬操作數告訴 asm 語句讀取/寫入memory需要"memory"破壞器的情況。）

Answer 2

我要補充一點: memory只是一個編譯器指令。 推測處理器可以重新排序指令。 為了防止這種情況發生，需要明確的 memory 屏障調用。 請參閱 memory 屏障上的 Linux 文檔。