内存一致性模型

内存一致性模型规定了并发线程访问共享内存时，读取操作可能观察到的值，并定义了程序员可以依赖的排序保证。

Definition

内存一致性模型是对并发执行中读取操作可能返回的值的正式规范，它确定了语言、编译器和硬件必须遵守的内存访问顺序。

Scope

本主题涵盖了一致性模型的整个范围，从顺序一致性到宽松和弱模型，以及先行发生关系和无数据竞争保证、硬件内存排序（如总存储顺序），以及C++和Java的语言级内存模型。它解释了宽松模型存在的原因、栅栏和原子操作如何恢复排序，以及如何对并发内存进行可靠推理。

Core questions

• 程序可以合法观察到哪些内存操作顺序？
• 为什么存在宽松内存模型，它们允许什么？
• 无数据竞争保证如何简化推理？
• 栅栏和原子操作如何强制执行排序？

Key theories

顺序一致性

Lamport定义了顺序一致性，其中多处理器执行必须表现为操作的某种单一交错，该交错尊重每个处理器的程序顺序，这是最强的直观基线模型。

宽松一致性和SC-for-DRF保证

Adve和Gharachorloo解释了宽松模型以及无数据竞争程序表现得如同顺序一致的原则，从而协调了性能与可编程性。

语言级内存模型

Manson、Pugh和Adve使用先行发生关系将Java内存模型形式化，定义了哪些优化是合法的，以及即使是存在竞争的程序也能获得哪些保证。

Clinical relevance

由于多核处理器和优化编译器会重新排序内存操作，语言内存模型对于编写正确、可移植的并发代码至关重要。它们告诉程序员何时需要同步，并定义了库和运行时可以提供的保证。

History

Lamport于1979年将顺序一致性形式化。随着硬件为提高性能而采用宽松排序，Adve和Gharachorloo于1996年的教程对一致性模型领域和无数据竞争框架进行了规范。随后，语言设计者将内存模型构建到规范中，其中Java内存模型（2005年）和C++11内存模型确立了现代方法。

Debates

存在竞争的程序的语义

一个难题是，对于包含数据竞争的程序，如果存在，应提供哪些保证；语言模型必须防止“凭空出现”的值，同时仍允许激进的编译器和硬件优化。

Key figures

• Leslie Lamport
• Sarita Adve
• Kourosh Gharachorloo
• William Pugh
• Jeremy Manson

Seminal works

• lamport1979
• adve1996
• manson2005

Frequently asked questions

为什么不是所有系统都只使用顺序一致性？

顺序一致性禁止了许多提高性能的编译器和硬件优化，因此大多数实际系统采用宽松模型，并仅在需要时提供同步原语以恢复更强的排序。

什么是无数据竞争保证？

在许多语言内存模型下，一个不包含数据竞争（所有冲突访问都经过适当同步）的程序，被保证表现得如同内存是顺序一致的。