メモリバリアとプログラミングにおけるその役割を理解する方法

さて、CPU の仕組みを詳しく調べたり、パフォーマンスの問題をデバッグしたりする場合には、これはちょっと奇妙な問題です。歴史的に、CPU は命令を厳密に 1 つずつ、つまり完璧な順序で実行していました。理にかなっていますよね? しかし、これはパフォーマンスにとって最適ではないことが判明しました。CPU がメモリからデータをロードするのを待たなければならない場合があり、それが全体の速度を低下させる可能性があるためです。そのため、設計者はアウトオブオーダー実行を考案しました。これは、CPU が待機するサイクルを無駄にしないように命令の順序を変更することで、CPU がより多くの処理を実行できるようにする方法です。これは非常に巧妙ですが、このすべての順序変更後もすべてが正しく実行されることを確認するなど、複雑さが増します。システムまたはコードの動作がおかしくなり始めた場合、特にマルチスレッド アプリやカスタム ハードウェアを扱っている場合は、メモリ操作の順序を理解しておくと、問題を修正したり、少なくとも何が起こっているかを診断したりするのに役立ちます。ここでメモリバリアのようなものが役に立ちます。メモリバリアは基本的に、CPU に「待機」して特定のタスクを順番に完了するように指示し、エラーやデータ破損の原因となるような命令の操作を防止します。セットアップによっては、メモリバリアを無視したり不適切に処理したりすると、厄介なバグや奇妙なパフォーマンスの低下につながる可能性があります。そのため、低レベルのコードやドライバーに取り組んでいる場合や、パフォーマンスを最大限に引き出そうとしている場合は、これらのフェンスをいつどのように使用するかが非常に重要になります。ここで難しいのは、最新の CPU ではこれらの機能は組み込まれていて複雑なので、ハードウェアレベルのものを操作したり、超低レイテンシの作業を行ったりしない限り、通常は手動での注意をあまり必要としないということです。しかし、それらの機能を理解しておくと、問題が発生した場合に多くの頭痛の種を防ぐことができます。それでは、これらの概念を修正したり操作したりする方法について理解するための方法をいくつか紹介します。

メモリ順序とCPUパフォーマンスのボトルネックに対処する方法

記憶障壁を利用して秩序を強化する

複数のスレッドや低レベルのハードウェア通信を扱っている場合、次に進む前に CPU に特定のメモリ操作を強制的に完了させることが必要になる場合があります。ここでメモリバリアまたはフェンス命令の出番です。これらは CPU に「ちょっと待ってください、これらの命令の順序を変更しないでください」と伝えます。通常、これはマルチスレッドのコンテキストやハードウェアドライバーで役立ちます。C または C++ では、これらは のようなアトミック操作または特定の関数呼び出しとして見られることがあります。アセンブリでは、 x86 またはARM のstd::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst)ような命令を使用します。Windows のカーネルモードでは、 KeMemoryBarrierなどの関数を使用します。Linux では、(Linux カーネルヘッダーから) を呼び出すのが一般的です。これらはかなり低レベルですが、一部のシステムで奇妙なバグ、バグのある DMA 操作、またはデータ競合が発生している場合は、これが必要な修正になる可能性があります。場合によっては、重要なメモリ操作の前後に明示的なフェンスを追加するだけで、安定することがあります。ただし、CPU がそれほど多くの順序変更を行うことができないため、パフォーマンスが低下することを想定してください。それがポイントのようなものです。 mfencedmbsmp_mb()

注：設定によっては、必要な時にメモリバリアを使用し忘れると、追跡が非常に困難な競合状態を引き起こす可能性があります。特にマルチコアや低レベルプログラミングを行っている場合は、注意が必要です。データの更新が不正確だったり、状態が矛盾していることに気付いた場合は、メモリの順序付けが原因かどうか確認することをお勧めします。

コンパイラまたはハードウェアを構成して、アウトオブオーダー実行を最適化または制限する

もう 1 つの角度は、コンパイラ フラグを調整して、アウトオブオーダー実行の積極性を制御することです。たとえば、GCC または Clang では、 などのフラグ-fno-reorder-functionsや、並べ替えを制限する類似のフラグを使用できます。常に実用的であるとは限りませんが、タイミングに敏感なアプリをデバッグする場合は役立つ可能性があります。ハードウェア側では、一部の CPU では BIOS 設定を介してパフォーマンス機能を微調整したり、特定の最適化を無効にしたりできますが、これはまれであり、何をしているのかを理解している場合を除いて通常は推奨されません。それでも、ハードウェアのバグや CPU の動作の不安定さが疑われる場合は、試してみる価値はあります。簡単な注意: 最新の CPU でアウトオブオーダー実行をオフにすることは、通常、ハードウェアに組み込まれている機能を無効にせずにはできませんが、一部のマイクロアーキテクチャには設定や文書化された回避策がある場合があります。必要な場合はソフトウェア フェンスを使用することをお勧めします。

そして、他の方法がすべて失敗した場合でも、単純な再起動やファームウェアのアップデートだけで、奇妙な CPU またはメモリの問題を解決できる場合があります。これは、当然のことながら、Windows がそれを必要以上に困難にする必要があるためです。

まとめ

• メモリ バリアは、CPU に特定のメモリ操作の順序を変更しないように指示します。これは、マルチスレッドの健全性にとって重要です。
• mfence、DMB、 などの適切な命令または関数を使用しますstd::atomic_thread_fence。
• タイミングやデータの一貫性に関するバグが発生していますか? フェンスの欠落が根本的な原因であるかどうかを確認してください。
• フェンスを追加するとパフォーマンスが低下することに注意してください。賢く使用してください。
• 場合によっては、ハードウェア レベルの制御を強化するために、BIOS の調整やファームウェアの更新が必要になることがあります。

まとめ

これらの基本を理解することで、CPUの癖やバグを理解するのに役立つことを願っています。正直なところ、アウトオブオーダー実行機能をいじるのは、猫の群れをまとめるような作業に感じることもありますが、フェンスや再構成で介入するタイミングを把握することで、実行時の頭痛の種を大幅に軽減できます。必ずしも簡単ではありませんが、タイトなループや重要なメモリ操作が問題を起こし始めたときには、その価値は十分にあります。これで、CPUの裏側で何が起こっているのか、より明確に理解していただけたでしょうか。ちょっとした低レベルの魔法が、安定性とパフォーマンスに大きな違いをもたらすのです。幸運を祈ります。CPUが常に正常に動作することをお祈りします。