反思：状态机模型的隐含假设

状态迁移

• 选择一个线程，执行一条指令
• “顺序一致性” (sequential consistency)

单处理器多线程符合这个假设

• 处理器会保证指令 “看起来” 顺序完成
• 处理器也是编译器 (oops... 感觉不好的事情要发生了)
  • 预取状态机执行的若干步，然后像编译器一样优化
  • Load(x); Store(y)
  • $x \ne y$ → 两条指令执行的先后顺序就无所谓
  • Load cache miss → store 可以直接执行

放弃全局顺序存在的假设

共享内存推翻了 “统一上帝视角” 的存在性

• 就像相对论中，时间顺序的相对性
  • $A$ 和 $B$ 没有因果关系，例子：Load(x) v.s. Store(y)
  • 两个观测者可以分别看到 $A \to B$ 或 $B \to A$
  • 观测的相对性使全局世界的行为 “极难理解”

不同处理器可能看到不同的共享内存

• “一个共享内存” 只是个简化的幻觉
• Reading: Memory Models by Russ Cox

你以为的共享内存

模型是这么建的

实际的共享内存

“相对论效应” 带来的后果

int x = 0, y = 0;

void T1() {
  x = 1; int t = y; // Store(x); Load(y)
  __sync_synchronize();
  printf("%d", t);
}

void T2() {
  y = 1; int t = x; // Store(y); Load(x)
  __sync_synchronize();
  printf("%d", t);
}

Model Checker: 01 10 11

• 实际：00 (????)

“相对论效应” 带来的后果 (cont'd)

CPU 设计者面临了难题

• 更强的内存模型 = 更糟糕的性能，但更容易编程
• x86：市面 “最强” 内存模型 (类比 ARM/RISC-V)

因此，在 ARM 上模拟 x86 是个世界性的难题

• Apple cheated! M1 可以把自己 “配置” 成 x86