iOS - 内存屏障的使用场景

内存屏障的使用是为了解决以下几个关键问题：

1. CPU 乱序执行

// 没有内存屏障时，CPU 可能乱序执行
void example() {// 这两行代码可能被 CPU 重排序a = 1;        // 操作1flag = true;  // 操作2
}// 使用内存屏障确保顺序
void safeExample() {a = 1;OSMemoryBarrier();  // 确保 a = 1 在 flag = true 之前完成flag = true;
}

2. 多核 CPU 的缓存一致性

// 多核 CPU 场景
class SharedData {int value;spinlock_t lock;void write() {lock.lock();value = 42;OSMemoryBarrier();  // 确保其他 CPU 核心能看到更新lock.unlock();}int read() {lock.lock();OSMemoryBarrier();  // 确保读取到最新值int result = value;lock.unlock();return result;}
};

3. 编译器优化重排

// 编译器可能优化重排代码
void compilerReorder() {// 编译器可能重排这些操作obj->value = 1;obj->flag = true;obj->count++;
}// 使用内存屏障防止重排
void safeOrder() {obj->value = 1;OSMemoryBarrier();  // 防止编译器重排obj->flag = true;OSMemoryBarrier();obj->count++;
}

4. 多线程数据同步

// 线程间的数据同步
class ThreadSafe {atomic_bool initialized = false;Data* sharedData;void initialize() {sharedData = new Data();OSMemoryBarrier();  // 确保 sharedData 初始化完成initialized = true;}void use() {if (initialized) {OSMemoryBarrier();  // 确保看到完整的 sharedDatasharedData->process();}}
};

5. 锁的实现

// 自旋锁实现中的内存屏障
static ALWAYS_INLINE void
OSSpinLockUnlock(volatile OSSpinLock *lock) {OSMemoryBarrierBeforeUnlock();  // 确保之前的写操作都完成lock->value = 0;  // 解锁
}

6. 原子操作保证

// 原子操作需要内存屏障保证
static ALWAYS_INLINE int32_t 
OSAtomicIncrement32Barrier(volatile int32_t *value) {// 带内存屏障的原子增操作return __sync_fetch_and_add(value, 1) + 1;
}

7. 可见性保证

// 确保修改对其他线程可见
class VisibilityExample {int sharedValue;void modify() {sharedValue = 100;OSMemoryBarrier();  // 确保修改对其他线程可见notifyOtherThreads();}
};

8. 防止指令重排的实际场景

// 单例模式的实现
class Singleton {static Singleton* instance;static Singleton* getInstance() {if (!instance) {lock();if (!instance) {Singleton* temp = new Singleton();OSMemoryBarrier();  // 防止初始化和赋值重排instance = temp;}unlock();}return instance;}
};

使用内存屏障的原因总结：

1. 防止重排序：

• CPU 指令重排

• 编译器优化重排

• 内存访问重排

2. 保证可见性：

• 多核 CPU 缓存同步
• 线程间数据同步

• 内存更新的传播

3. 实现同步原语：

• 锁的实现

• 原子操作

• 线程同步

4. 解决硬件架构差异：

• 不同 CPU 架构的内存模型

• 缓存一致性协议

• 多核通信

这些机制确保了多线程程序的正确性和可靠性。