原子性内存栅栏问题简述

内存栅栏(Memory fence)，也称为内存屏障(Memory barrier)，以前碰到这类概念都是基于锁的理解，比如dispatch_barrier。在看bmalloc的源代码时，发现其在使用原子性(atomic)的时候，出现了一种memory_order的概念，所以这里来简单看看原子性方面的问题。

Atomic方法

在iOS中，我们平时最常用的原子特性大部分来自于OSAtomic，可是当我打开这个文件的时候，却发现这些方法已经被弃用了。

OSATOMIC_DEPRECATED_REPLACE_WITH(atomic_compare_exchange_strong)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_4, __IPHONE_2_0)
bool OSAtomicCompareAndSwap32( int32_t __oldValue, int32_t __newValue, volatile int32_t *__theValue );

很好奇这个新的方法，它来自于C标注库stdatomic.h中，而这个头文件是C11才引入的，说明这是一个非常新的方法。而在C++11中，STL增强了C++的多线程编程能力，所以也是这个时候引入的std::atomic。

atomic和volidate，atomic是真正的原子性，而volidate则仅标记对象为易变，提交给编译器优化使用的，并不能确保原子性。

Memory Order

typedef enum memory_order {
  memory_order_relaxed = __ATOMIC_RELAXED,
  memory_order_consume = __ATOMIC_CONSUME,
  memory_order_acquire = __ATOMIC_ACQUIRE,
  memory_order_release = __ATOMIC_RELEASE,
  memory_order_acq_rel = __ATOMIC_ACQ_REL,
  memory_order_seq_cst = __ATOMIC_SEQ_CST
} memory_order;

关于memory_order这个概念，非常的令人困惑。其关键就是atomic能够保证单个的操作的原子性，但不能保证两个原子操作之间的顺序，这涉及到CPU对缓存刷新时进行的顺序重排。这里看两个简单的例子就可以理解了：

fence1.png fence2.png

和我们平时的理解完全不一样，内存的修改顺序和实际的顺序居然可能不一致，这就是为什么会引入memory_order这个概念了。

Spin lock

最后再来看看SpinLock的实现，所有SpinLock都是基于原子操作进行的，目前我碰到的大致分为两种：

1. 比较无赖，强制for循环等待
2. 比较友善，在超过一定循环次数，会放弃当前时间片

伪代码：

atomic flag
while flag:
    loop_count++
    if loop_count > MAX_LOOP_COUNT:
        yield  // iOS中可以是thread_swtich

所以当某些调度算法，即使是在优先级高的线程中yield放弃时间片，依然不能分配给优先级低的线程，就会导致优先级反转而死锁。

参考

A Tutorial Introduction to the ARM and POWER Relaxed Memory Models