Se vi è per caso capitato di approfondire, per qualche motivo, tematiche legate all’implementazione di soluzioni che fanno uso di codice parallelo/multithread/sincronizzazione probabilmente avete finito leggendo che vi è la possibilità di aumentare le performance usando tecniche di sincronizzazione “lock free”, ovvero senza ricorrere alle primitive di sincronizzazione messe a disposizione dal sistema operativo(che consumano risorse e vanno usate con attenzione).

Molto probabilmente qualche riga sotto l’espressione “lock free” avrete sicuramente trovato che tutto questo è possibile grazie al “Memory consistency model” (anche detto semplicemente memory model) implementato dall’hardware su cui il vostro codice gira.

Ma cos’è il memory model ?Perchè è importante conoscerlo ?

Per spiegarlo facciamo un passo indietro. Quando noi scriviamo codice sorgente ci immaginiamo che l’esecuzione dello stesso sarà così come l’abbiamo scritta. Purtroppo nei moderni processori non è così, nel senso che l’esecuzione del codice macchina potrebbe risultare diversa da quella da noi pensata anche senza inficiare il corretto funzionamento dei nostri algoritmi.

Le motivazioni principali sono:

1)I compilatori ottimizzano (Jit compiler compreso) il codice, spostando (code motion),cancellando, aggiungendo istruzioni per renderne più performante l’esecuzione.
2)I processori impiegano tecniche di “instruction level parallelism” (ILP) permettendo la parallelizzazione delle istruzione così da ridurre i cicli di clock totali.
3)I processori fanno uso di cache locali per velocizzare la scrittura (stores) e lettura (loads) delle locazioni di memoria, in sistemi multiprocessore la sincronizzazione tra le varie cache può portare ad uno spostamento delle istruzioni(cache coherency).

Tutto questo passa sotto il nome di instruction reordering.

Chi scrive codice a basso livello o compilatori o codice lock free, deve conoscere molto bene questi comportamenti per poter effettuare ottimizzazioni e far funzionare come si deve il codice (cioè come noi lo abbiamo scritto o senza provocare race condition).

Per concludere il memory model specifica precisamente quali tipi di scritture (stores) e letture (loads) possono essere spostate (o riordinate), in quali circostanze e come vengono spostate l’una rispetto all’altra.

I memory model si dividono tra weak (deboli) o strong (forti). Un “weak memory model” permette il riordinamento delle letture/scritture, un “strong memory model” (sequential consistency) proibisce tale riordinamento. Molti sistemi come quelli dal quale sto scrivendo questo post (architettura Intel x86) e la maggior parte dei sistemi sul quale Windows gira utilizzano un “weak memory model”.

Fonti: Concurrent Programming on Windows (Joe Duffy)