Skip to content

模型Model

内存一致性模型

Memory consistency model · Memory model

规定并发程序的内存操作可以产生哪些可观察执行的契约。

形式陈述 ​

内存一致性模型是共享内存系统中程序、编译器与硬件之间的可观察行为合同。对一个程序 P,候选执行可抽象为

X=(E,<po,rf,mo,…),

其中 E 是读、写、原子与栅栏事件,<po 是线程内程序顺序,rf 把每次读关联到它取得值的写,mo 等关系刻画单地址原子写序或体系结构规定的传播顺序。模型 M 给出一致性谓词 ConsistentM(X),允许执行集合为

ExecM(P)={X:X 由 P 生成且 ConsistentM(X)}.

不同语言和 ISA 会选择不同关系与公理;这份元模型只说明证明对象。若 ExecM1(P)⊆ExecM2(P) 对所有 P 成立,称 M1 至少与 M2 一样强。强弱比较是允许集合的包含,不是按模型名称或单个 litmus test 排名。

读值规则、原子性和未同步访问的语义都必须包含在合同内。并发对象历史只记录方法调用与返回,可由底层执行投影得到;它适合线性一致性等对象级规格,却丢失 rf、普通内存事件和编译器变换,不能充当通用内存模型。

Coherence 通常逐地址约束写序与读值,顺序一致性则要求所有内存操作共享一个保程序顺序的全序。线性一致性作用于高层对象操作,并额外保持不重叠调用的实时先后。单地址 coherence 无法决定跨地址观察顺序,SC 也没有线性一致性的实时量词。

直觉

处理器会把写暂存在 store buffer,编译器会移动互不依赖的操作,缓存协议会让传播分阶段完成;逐条等待全局可见会牺牲性能。程序证明却需要知道哪些观察绝不会出现。内存模型把优化自由与推理义务同时写成约束:同步原语买回哪些顺序,普通访问在缺少同步时还剩什么语义。

判断一个读值时,应先选出它的来源写,再检查该选择是否与其他关系共同满足模型。单个读到旧值可能合法,但把两个这样的选择拼在一起可能形成禁止的环;故合法性不是逐个事件独立判断。

因此模型不是“处理器实际按什么顺序执行”的录像,而是对所有允许观察的公理化包络。一个实现可以内部乱序,只要对外执行仍落在集合内;一次测试从未观察到某结果,也不能证明模型禁止它。

例子与边界

指定模型后重算 store buffering ​

以下采用 Sewell 等人 2010 年的 x86-TSO 程序员模型,限制在普通 write-back 内存及模型支持的对齐访问片段;不涉及混合宽度、非临时访问或页表变化。这个抽象机的共享内存记为 M,每个硬件线程拥有独立 FIFO 写缓冲 BP。对下面没有锁定指令的程序,只需四条规则:写把地址和值追加到本线程缓冲;读先取本线程缓冲中该地址的最新写,否则读共享内存;缓冲的最老写可排出并更新共享内存;MFENCE 只有在本线程缓冲已空时才能完成。这是可观察行为的模型,不是缓存电路的内部结构图。

初始 M[x]=M[y]=0,两个缓冲为空。store-buffering(SB)测试为:

线程 P: W(x,1); R(y) -> r1
线程 Q: W(y,1); R(x) -> r2

一条产生双零的合法执行可以逐步核查:

步骤 P 的写缓冲 Q 的写缓冲 共享内存 (x,y) 观察
P 执行写 [(x,1)] [] (0,0) 写尚未排出
Q 执行写 [(x,1)] [(y,1)] (0,0) 两写都在缓冲
P 读取 y [(x,1)] [(y,1)] (0,0) P 的缓冲无 y,故 r1=0
Q 读取 x [(x,1)] [(y,1)] (0,0) Q 的缓冲无 x,故 r2=0
两缓冲依次排出 [] [] (1,1) 已取得的读值仍是 (0,0)

同一观察在顺序一致性下被禁止。程序顺序要求 W(x)<R(y) 与 W(y)<R(x),读到初值又要求 R(y)<W(y) 与 R(x)<W(x),合起来形成

W(x)<R(y)<W(y)<R(x)<W(x).

因此,障碍是不存在同时解释两个地址的全序,并非某次读到初值本身不合理。其余三种结果都有 SC 见证:先完整运行 P 再 Q 得 (0,1),先 Q 再 P 得 (1,0),先完成两写再做两读得 (1,1);令每次写随即排空缓冲,这些也都是 x86-TSO 执行。

现在在两个线程各自的写与读之间插入 MFENCE。设写 x、写 y 排入共享内存的事件分别为 Dx,Dy。栅栏保证 Dx<R(y)、Dy<R(x)。若仍双零,则还需 R(y)<Dy、R(x)<Dx,从而得到 Dx<R(y)<Dy<R(x)<Dx,不可能。因此两道指定位置的 MFENCE 排除了双零。“有一道屏障”不足以代替这四个关系;若只给 P 加栅栏,Q 可以先缓冲 y、读到 x=0,随后 P 排出 x 并读到尚未排出的 y=0。

C++ 源码须另选语言内存序 ​

硬件事件不能直接当成普通 C++ 变量访问。对 std::atomic<int> x{0}, y{0},让 P 执行 x.store(1, order); r1=y.load(order),Q 对称执行;这里 order 是占位说明,实际 store/load 必须分别选用合法内存序。假设初始化在线程启动前完成,结果在线程结束后汇总,且没有其他访问:

写的内存序 读的内存序 双零结果 原因
relaxed relaxed 允许 单地址原子性没有建立跨地址全序
release acquire 允许 两个 acquire 都读初值,没有读到对方 release,因而没有这两条 synchronizes-with 边
seq_cst seq_cst 禁止 全部四个原子操作受 SC 全序约束,双零产生上述环

若把 x、y 换成无同步的普通 int,冲突的非原子访问产生数据竞争,C++ 行为未定义;不能把其结果表写成“允许四种读值”。volatile 也不是修复这项语言问题的同步协议。上述表是源语言契约;某编译器如何用机器指令实现它,需要另证编译映射,不能把 C++ 的 seq_cst 直接定义成某一条硬件栅栏。

发布数据是另一种测试。P 先普通写 d=42,再对原子标志 ready 作 release 写 1;Q 用 acquire 读 ready,仅当读到该 release 写的 1 时才普通读 d。假设 d 的初始化和这次发布写之外没有其他写入,发布写、同步边和线程内顺序串成happens-before,该读得到 42。读到 0 的分支不能无条件访问 d;将 acquire 改为 relaxed 也可能失去这条保护,造成普通 d 上的数据竞争,后果不只是“偶尔读到旧值”。

缓存一致协议即使保证所有核心按同一顺序观察地址 x 的写,也未必约束 x,y 之间的相对观察。happens-before同样只提供模型中的顺序骨架;还需 rf 合法性、原子位置写序、数据竞争语义和禁止循环等公理,才能决定一次候选执行是否合法。

语言模型、处理器 ISA 模型和分布式副本一致性可能共享“弱”“因果”“顺序”等词,却有不同操作粒度与故障假设。跨层正确性需要证明编译器映射把每个目标执行精化为源模型允许的执行;名称相似不能代替这项映射。某些模型还专门限制 out-of-thin-air 值,单靠局部读写顺序无法排除这种全局循环。

推论与应用

弱内存算法的证明通常分两步:先证明语言层 happens-before、原子写序与读值满足不变量,再验证编译器和 ISA 映射保持这些边。互斥锁、release/acquire、顺序一致原子与栅栏只是构造约束的不同工具,不应统一替换成模糊的“加一道屏障”。

无数据竞争程序在特定语言模型下可能获得 SC-for-DRF 保证,但其“race-free”定义、原子操作范围与结论各不相同。这是一条模型定理,不是所有共享内存系统的默认事实。

设计并发算法时,必须把证明依赖的顺序关系映射到目标语言和处理器提供的原语。仅在某台机器上重复测试未见异常不能替代模型证明,因为被允许但罕见的执行仍可能在不同编译、核心或负载下出现。

模型检查可以把有限程序、候选内存模型和违例条件联合编码,搜索某个允许轨迹是否产生禁用观察。得到反例说明该模型仍容许该行为;未在给定界内找到反例,只是验证算法在当前状态空间上的结论,不会把弱内存模型改写为顺序一致。

参考资料
  • Leslie Lamport, “How to Make a Multiprocessor Computer That Correctly Executes Multiprocess Programs,” IEEE Transactions on Computers C-28(9), 1979, pp. 690–691。
  • Sarita V. Adve and Kourosh Gharachorloo, “Shared Memory Consistency Models: A Tutorial,” Computer 29(12), 1996, pp. 66–76。
  • Peter Sewell, Susmit Sarkar, Scott Owens, Francesco Zappa Nardelli, Magnus O. Myreen, “x86-TSO: A Rigorous and Usable Programmer’s Model”, Communications of the ACM 53(7), 2010,作者终稿 2010-05-17;§1 的 SB 与 §3.1 的抽象机规则、§3.2 的测试。
  • C++ 在线工作草案,[intro.races] 与 [atomics.order],访问于 2026-10-03;用于数据竞争、release/acquire 与 SC 原子操作的条件,未将此在线版本等同于其他页面固定的历史草案。
  • Mark Batty, Scott Owens, Susmit Sarkar, Peter Sewell, and Tjark Weber, “Mathematizing C++ Concurrency”, POPL 2011, pp. 55–66:C++ 并发执行的关系与公理模型。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系

被这些条目使用