atomicity of memory accesses

原子性邊界的界定—是理解 memory model 的核心之一。

SC 要求 atomicity of memory accesses , 下面將 memory accesses 進行拆解, 以 更深刻理解 SC 對 atomicity 的要求。

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? 正確認識原子性的邊界

對于 Load：

步驟回顧：

1. 地址計算（EA）
2. 發起訪問（向 cache 發 load 請求） ← Issue
3. 從 cache/mem 返回值 ← Perform point
4. 寫入目標寄存器

? 正確的原子性邊界是：

• 第 2 步（issue） 到 第 3 步（fetch 到值） 是 必須原子的部分。
• 原因：這是 load 真正與 memory hierarchy 交互的部分，如果其他 store 在這之間插入，會導致讀取到錯誤值，破壞 SC。

?注意：寫入寄存器不是 memory model 的可見性關鍵，因此不是原子性邊界的一部分。

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對于 Store：

步驟回顧：

1. 地址計算
2. 指令 commit，進入 store buffer
3. 從 store buffer 發起寫 cache（store buffer flush）
4. 寫入緩存并完成 coherence 動作（例如 invalidate 或 update） ← Perform point

? 正確的原子性邊界是：

• 第 3 步（issue to cache） 到 第 4 步（完成全局可見性） 是 必須原子的部分。
• 原因：這決定了其他 core 能否讀到這個 store 的值，如果這個過程可被插入或拆分，就會打破 memory consistency。

?所以你說的 store 的 perform 階段是必須原子的 —— 是完全正確的。

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🔄 修正原文中的說法（對照分析）

我之前說：

“Load 的兩個階段（issue, completion）構成其原子性邊界。”

→ ? 正確，但需要明確 “completion” 是指 從 cache 得到值，不是寫入寄存器。

我之前說：

“Store 的邊界是從 issue 到 perform（全局可見）。”

→ ? 正確，但更精確地講是：從 store buffer flush 到 coherence 完成 是關鍵部分。

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? 原子性邊界最終澄清總結

操作類型	開始點	結束點
Load	發起 cache read	數據拿到為止
Store	發起 cache write	數據在所有核心可見為止

為什么 Sequential Consistency的兩個核心約束 不提 read atomicity ?

你問得非常到位。這關系到 Sequential Consistency (SC) 模型中的核心假設和設計目標。

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🎯 問題本質

你提到的兩個約束其實是：

1. 程序順序對所有處理器都一致可見：每個處理器的指令（load/store）必須以程序寫的順序在系統中對所有處理器保持一致的順序。
2. 寫操作必須具有原子性（write atomicity）：一旦某個處理器看到一個寫（store）發生了，那么所有處理器必須同時看到這個寫。

于是問題來了：

為什么只強調了 Write Atomicity，而沒有強調 Read Atomicity？

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? 回答：因為 “Read Atomicity” 本身在 SC 中是隱含成立的，不需要單獨強調

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🧠 思考路徑如下：

1. Read 是不可觀察的副作用

讀（load）操作不會對其他核心產生直接可觀察的副作用，它只是讀取某個內存位置的當前值，并不會改變共享狀態。而寫操作會改變共享狀態，是全局可觀察事件。

所以，SC 中只需要定義：寫什么時候被"別人"看到；讀自然是基于"可見的寫"結果。

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2. 讀的行為完全依賴于寫是否可見

在 SC 中，讀到的值必須是某個已經完成的寫，也就是說：

如果一個 core 看到 x = 1，那么在它看來 x = 1 這個寫已經 globally visible 了（write atomicity 確保的）。

讀到這個值是"合法"的前提是這個值是來自某個已經發生且"所有人都同意的"寫。這一點正是 write atomicity 保證的。

所以 SC 中不需要額外聲明 “read atomicity”——讀只是在一組可見寫中選一個。

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3. 讀操作在 SC 中沒有并發可見性問題

• 寫的非原子性會導致 不同 core 看到不同寫入值，所以必須強調 atomicity。
• 但讀不會被“別人看到”，所以不會產生一致性問題。

因此，“read atomicity”沒有意義：它不是一個互斥事件，也不需要所有 core "看到"某個讀行為——它只是個本地動作。

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📌 舉個例子說明

// P0
x = 1;
y = 1;// P1
if (y == 1)assert(x == 1);

SC 要求：

• P0 的 store 順序是 x=1 → y=1
• 如果 P1 看到 y1，那么由于 store 順序一致性，它也必須看到 x1（因為 x=1 寫在前）

關鍵是：

• 寫操作（x=1, y=1）必須在所有 core 看起來順序一致
• 讀操作（y1, x1）只是根據這些寫的“時間點”來決定自己的返回值，不存在“可見性”問題

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? 總結

類型	是否強調原子性	原因
Write	? 強調	寫影響全局狀態，需要保證對所有核心同時可見
Read	? 不強調	讀只是查詢當前狀態，不會影響其他核心，不存在多核心“看到”問題

所以：SC 模型中只需要定義 Write Atomicity，Read Atomicity 不是一個有意義的概念。

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如果你在考慮更弱的 memory model（如 TSO, RCsc, ARM, RISC-V 等），那時讀操作就可能變得“更復雜”，因為 load-store reordering 和緩存的本地視圖都會造成讀操作行為更微妙。在那種模型下，load 有時也需要 fence 或 acquire-semantics 來保證語義，但那是更進一步的問題了。你也可以繼續問這方面的內容。

從實現角度講，并不需要額外引入“read atomicity”機制，只要確保讀不會從“未完成的寫”中讀到值即可。