優(yōu)化屏障
編譯器編譯源代碼時，會將源代碼進行優(yōu)化，將源代碼的指令進行重排序，以適合于CPU的并行執(zhí)行。然而，內(nèi)核同步必須避免指令重新排序，優(yōu)化屏障（Optimization barrier）避免編譯器的重排序優(yōu)化操作，保證編譯程序時在優(yōu)化屏障之前的指令不會在優(yōu)化屏障之后執(zhí)行。
Linux用宏barrier實現(xiàn)優(yōu)化屏障，gcc編譯器的優(yōu)化屏障宏定義列出如下（在include/linux/compiler-gcc.h中）：
#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")上述定義中，“__asm__”表示插入了匯編語言程序，“__volatile__”表示阻止編譯器對該值進行優(yōu)化，確保變量使用了用戶定義的精確地址，而不是裝有同一信息的一些別名。“memory”表示指令修改了內(nèi)存單元。
內(nèi)存屏障
軟件可通過讀寫屏障強制內(nèi)存訪問次序。讀寫屏障像一堵墻，所有在設(shè)置讀寫屏障之前發(fā)起的內(nèi)存訪問，必須先于在設(shè)置屏障之后發(fā)起的內(nèi)存訪問之前完成，確保內(nèi)存訪問按程序的順序完成。
讀寫屏障通過處理器構(gòu)架的特殊指令mfence（內(nèi)存屏障）、lfence（讀屏障）和sfence（寫屏障）完成，見《x86-64構(gòu)架規(guī)范》一章。另外，在x86-64處理器中，對硬件進行操作的匯編語言指令是“串行的”，也具有內(nèi)存屏障的作用，如：對I/O端口進行操作的所有指令、帶lock前綴的指令以及寫控制寄存器、系統(tǒng)寄存器或調(diào)試寄存器的所有指令（如：cli和sti）。
Linux內(nèi)核提供的內(nèi)存屏障API函數(shù)說明如表2。內(nèi)存屏障可用于多處理器和單處理器系統(tǒng)，如果僅用于多處理器系統(tǒng)，就使用smp_xxx函數(shù)，在單處理器系統(tǒng)上，它們什么都不要。
表2 內(nèi)存屏障API函數(shù)說明
| 內(nèi)存屏障的宏定義 |
功能說明 |
| mb() |
適用于多處理器和單處理器的內(nèi)存屏障。 |
| rmb() |
適用于多處理器和單處理器的讀內(nèi)存屏障。 |
| wmb() |
適用于多處理器和單處理器的寫內(nèi)存屏障。 |
| smp_mb() |
適用于多處理器的內(nèi)存屏障。 |
| smp_rmb() |
適用于多處理器的讀內(nèi)存屏障。 |
| smp_wmb() |
適用于多處理器的寫內(nèi)存屏障。 |
適合于多處理器和單處理器的內(nèi)存屏障宏定義列出如下（在include/asm-x86/system.h中）：
#ifdef CONFIG_X86_32
/**//*指令“lock; addl $0,0(%%esp)”表示加鎖，把0加到棧頂?shù)膬?nèi)存單元，該指令操作本身無意義，但這些指令起到內(nèi)存屏障的作用，讓前面的指令執(zhí)行完成。具有XMM2特征的CPU已有內(nèi)存屏障指令，就直接使用該指令*/
#define mb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define rmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define wmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM)
#else
#define mb() asm volatile("mfence":::"memory")
#define rmb() asm volatile("lfence":::"memory")
#define wmb() asm volatile("sfence" ::: "memory")
#endif
/**//*刷新后面的讀所依賴的所有掛起讀操作，在x86-64構(gòu)架上不需要*/
#define read_barrier_depends() do { } while (0)
宏定義ead_barrier_depends()刷新后面的讀所依賴的所有掛起讀操作，后面的讀操作依賴于正處理的讀操作返回的數(shù)據(jù)。在x86-64構(gòu)架上不需要此宏。它表明：在此屏障之前，沒有來自內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)所依賴的讀曾經(jīng)重排序。所有的讀操作處理此原語，保證在跟隨此原語的任何讀操作此原語之前訪問內(nèi)存（但不需要其他CPU的cache）。此原語在大多數(shù)CPU上有比rmb()更輕的份量。
本地CPU和編譯器遵循內(nèi)存屏障的排序限制，僅內(nèi)存屏障原語保證排序，即使數(shù)據(jù)有依賴關(guān)系，也不能保證排序。例如：下面代碼將強迫排序，因為*q的讀操作依賴于p的讀操作，并且這兩個讀操作被read_barrier_depends()分開。在CPU 0和CPU 1上執(zhí)行的程序語句分別列出如下：
CPU 0 CPU 1
b = 2;
memory_barrier();
p = &b; q = p;
read_barrier_depends();
d = *q;
下面的代碼沒有強制排序，因為在a和b的讀操作之間沒有依賴關(guān)系，因此，在一些CPU上，如：Alpha，y將設(shè)置為3，x設(shè)置為0。類似這種沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的讀操作，需要排序應(yīng)使用rmb()。
CPU 0 CPU 1
a = 2;
memory_barrier();
b = 3; y = b;
read_barrier_depends();
x = a;
適合于多處理器的內(nèi)存屏障宏定義列出如下（在include/asm-x86/system.h中）：
#ifdef CONFIG_SMP
#define smp_mb() mb()
#ifdef CONFIG_X86_PPRO_FENCE
# define smp_rmb() rmb()
#else
# define smp_rmb() barrier()
#endif
#ifdef CONFIG_X86_OOSTORE
# define smp_wmb() wmb()
#else
# define smp_wmb() barrier()
#endif
#define smp_read_barrier_depends() read_barrier_depends()
#define set_mb(var, value) do { (void)xchg(&var, value); } while (0)
#else
#define smp_mb() barrier()
#define smp_rmb() barrier()
#define smp_wmb() barrier()
#define smp_read_barrier_depends() do { } while (0)
#define set_mb(var, value) do { var = value; barrier(); } while (0)
#endif
函數(shù)rdtsc_barrier用于加內(nèi)存屏障阻止RDTSC猜測，當在一個定義的代碼區(qū)域使用讀取時間戳計數(shù)器（Read Time-Stamp Counter，RDTSC）函數(shù)（或者函數(shù)get_cycles或vread）時，必須加內(nèi)存屏障阻止RDTSC猜測。其列出如下：
static inline void rdtsc_barrier(void)
{
alternative(ASM_NOP3, "mfence", X86_FEATURE_MFENCE_RDTSC);
alternative(ASM_NOP3, "lfence", X86_FEATURE_LFENCE_RDTSC);
}