重学js —— 内存模型

[lizhongzhen11]

内存模型

• MDN —— 内存管理

内存一致性模型，也叫 内存模型，指定通过访问由 SharedArrayBuffer 支持的 TypedArray 实例以及通过 Atomics 对象上的方法产生的 Shared Data Block 事件的可能顺序。当程序没有数据争用，事件的顺序显示为顺序一致，即每个 代理 的动作交错。当程序存在数据争用，共享内存操作可能会出现顺序不一致。例如，程序可能会表现出违反因果关系的行为和其他怪异的地方。这些怪异来自编译器转换和CPU的设计（例如乱序执行和推测）。内存模型既定义了程序表现出顺序一致行为的精确条件，也定义了从数据竞争中读取的可能值。也就是说，没有不确定的行为。

内存模型被定义为对求值过程中 SharedArrayBuffer 上的 抽象操作 或 Atomics 对象上的方法所引入的事件的关系约束。

本节提供了针对 SharedArrayBuffers 上的抽象操作所引入的事件的公理（不言自明的）模型。 需要强调的是，与规范的其余部分不同，该模型无法通过算法表达。抽象操作对事件的不确定性引入是ECMAScript求值的操作语义与内存模型的公理语义之间的接口。这些事件的语义是通过考虑求值中所有事件的图来定义的。 这些既不是静态语义也不是运行时语义。没有经过证明的算法实现，而是一组约束，这些约束确定了允许还是不允许特定事件图。

内存模型基本原理

共享内存访问（读取和写入）分为以下两组，原子访问和数据访问。原子访问是顺序一致的，即，代理群集 中所有代理都同意对事件进行严格的总排序。非原子访问没有所有代理都同意的严格总排序，即未排序。

不支持弱于顺序一致且强于无序的排序，例如发布获取。

Shared Data Block event 是 ReadSharedMemory，WriteSharedMemory， ReadModifyWriteSharedMemory 记录 其中之一。

ReadSharedMemory Event字段

字段名	值	含义
[[Order]]	SeqCst / Unordered	事件的内存模型保证的最弱排序
[[NoTear]]	Boolean值	是否允许此事件从与该事件相等的范围内的多个写入事件中读取
[[Block]]	Shared Data Block	事件运行所在的块
[[ByteIndex]]	非负整数	[[Block]] 的读取字节地址
[[ElementSize]]	非负整数	读取的大小

WriteSharedMemory Event字段

字段名	值	含义
[[Order]]	SeqCst / Unordered / Init	事件的内存模型保证的最弱排序
[[NoTear]]	Boolean值	是否允许从与其范围相等的多个读取事件中读取此事件
[[Block]]	Shared Data Block	事件运行所在的块
[[ByteIndex]]	非负整数	[[Block]] 的写入字节地址
[[ElementSize]]	非负整数	写入的大小
[[Payload]]	List	被其他事件读取的字节值列表

ReadModifyWriteSharedMemory Event字段

字段名	值	含义
[[Order]]	SeqCst	读-修改-写事件总是顺序一致的
[[NoTear]]	true	读-修改-写事件不能撕裂
[[Block]]	Shared Data Block	事件运行所在的块
[[ByteIndex]]	非负整数	[[Block]] 的读-修改-写字节地址
[[ElementSize]]	非负整数	读-修改-写的大小
[[Payload]]	List	传给 [[ModifyOp]] 字节值列表
[[ModifyOp]]	读-修改-写函数	一个抽象闭包，它从读取的字节值列表和 [[Payload]] 中返回修改后的字节值列表

这些事件通过 抽象操作 或原子对象上的方法引入的。

一些操作可能还会引入 Synchronize 事件。Synchronize event 没有字段，存在纯粹是为了直接限制其他事件的允许顺序。

除了 Shared Data Block 和 Synchronize event，还有环境特定事件。

假设 ReadSharedMemory，WriteSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件的范围是从 [[ByteIndex]] 到 [[ByteIndex]] + [[ElementSize]] - 1 的连续整数的集合。当两个事件具有相同的 [[Block]] 并且元素范围相等时，这两个事件的范围相等。当事件具有相同的 [[Block]] 并且它们的范围不相等，同时它们的交集非空，那么这两个事件的范围重叠。当事件具有不同的 [[Block]] 并且它们的范围即不相等也不相交，则这两个事件不相交。

代理事件记录

字段名	值	含义
[[AgentSignifier]]	接受相等测试的值	求值导致此排序的 代理
[[EventList]]	事件 列表	在求值期间，事件会添加到列表中
[[AgentSynchronizesWith]]	同步事件的 列表	同步操作语义引入的关系

选择的值记录

字段名	值	含义
[[Event]]	Shared Data Block event	为该选择的值引入的 ReadSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件
[[ChosenValue]]	字节值 列表	求值期间不确定地选择的字节

候选执行

字段名	值	含义
[[EventsRecords]]	代理 事件记录 列表	将代理映射到求值期间附加的事件列表
[[ChosenValues]]	选择的值记录 列表	将 ReadSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件映射到求值期间被选中的字节值列表
[[AgentOrder]]	agent-order Relation	agent-order
[[ReadsBytesFrom]]	reads-bytes-from 数学函数	reads-bytes-from
[[ReadsFrom]]	reads-from Relation	reads-from
[[HostSynchronizesWith]]	host-synchronizes-with Relation	host-synchronizes-with
[[SynchronizesWith]]	synchronizes-with Relation	synchronizes-with
[[HappensBefore]]	happens-before Relation	happens-before

候选执行的关系

agent-order

对于候选执行 execution，execution.[[AgentOrder]] 是满足以下条件的最小事件关系：

• 对于 EventSet(execution) 中的每对（E，D），如果 execution.[[EventsRecords]] 中存在 代理事件记录 aer 使得 E 和 D 都在 aer.[[EventList]] 中且 E 在 aer.[[EventList]] 中排在 D 之前。

reads-bytes-from

对于候选执行 execution，execution.[[ReadsBytesFrom]] 是数学函数，可将 SharedDataBlockEventSet(execution) 中的事件映射到满足以下条件的 SharedDataBlockEventSet(execution) 中的事件列表：

• 对于 SharedDataBlockEventSet(execution) 中的每个 ReadSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件 R，execution.[[ReadsBytesFrom]](R) 是一个长度等于 WriteSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件 Ws 的 R.[[ElementSize]] 的列表
  • Ws 中每个事件 W，其索引为 i，在 Ws 范围内都有 R.[[ByteIndex]] + i
  • R 不在 Ws 中

reads-from

对于候选执行 execution，execution.[[ReadsFrom]] 是满足以下条件的最小事件关系：

• 对于 SharedDataBlockEventSet(execution) 中的每对（R，W），如果 W 处于 execution.[[ReadsBytesFrom]](R) 中，则（R，W）处于 execution.[[ReadsFrom]]

host-synchronizes-with

对于候选执行 execution，execution.[[HostSynchronizesWith]] 是环境提供的有关环境特定事件的严格偏序，至少满足以下条件：

• 如果(E, D)处于 execution.[[HostSynchronizesWith]] 中，E 和 D 在 HostEventSet(execution) 中
• execution.[[HostSynchronizesWith]] 和 execution.[[AgentOrder]] 的并集没有循环

synchronizes-with

对于候选执行 execution，execution.[[SynchronizesWith]] 是满足以下条件的最小事件关系：

• 对于 execution.[[ReadsFrom]] 中的 (R, W) 对，如果 R.[[Order]] 为 SeqCst，W.[[Order]] 为 SeqCst 且 R 和 W 有相同的范围，则(W, R)处于 execution.[[SynchronizesWith]] 中
• 遍历 execution.[[EventsRecords]] 中的元素，别名 eventsRecord
  • 对于 eventsRecord.[[AgentSynchronizesWith]] 中的(S, Sw)对，(S, Sw)处于 execution.[[SynchronizesWith]] 中
• 对于 execution.[[HostSynchronizesWith]] 的(E, D)对，(E, D)处于 execution.[[HostSynchronizesWith]] 中

happens-before

对于候选执行 execution，execution.[[HappensBefore]] 是满足以下条件的最小事件关系：

• 对于 execution.[[AgentOrder]] 中的每对（E，D），（E，D）处于 execution.[[HappensBefore]] 中
• 对于 execution.[[SynchronizesWith]] 中的每对（E，D），（E，D）处于 execution.[[HappensBefore]] 中
• 对于 SharedDataBlockEventSet(execution) 中的每对（E，D），如果 E.[[Order]] 为 Init 且 E 和 D 范围相交，则（E，D）处于 execution.[[HappensBefore]] 中
• 对于 EventSet(execution) 中的每对（E，D），如果存在事件 F 使得 (E, F) 对和 (F, D) 对都处于 execution.[[HappensBefore]] 中，则（E，D）处于 execution.[[HappensBefore]] 中

竞争

1. 如果 E 不是 D，
   1. 如果 (E, D) 对和 (D, E)对不在 execution.[[HappensBefore]] 中，
      1. 如果 E 和 D 都是 WriteSharedMemory 或 ReadModifyWriteSharedMemory 事件且 E 和 D 没有不相交的范围，
         1. 返回 true
      2. 如果 (E, D) 对或 (D, E)对在 execution.[[ReadsFrom]] 中，
         1. 返回 true
2. 返回 false

数据争用

1. 如果 E 和 D 在 execution 中处于竞争状态，
   1. 如果 E.[[Order]] 不是 SeqCst 或 D.[[Order]] 不是 SeqCst，
      1. 返回 true
   2. 如果 E 和 D 范围相交，
      1. 返回 true
2. 返回 false

数据争用自由

如果 SharedDataBlockEventSet(execution) 中没有事件在争用数据，则该执行 execution 是数据争用自由的。

如果程序的所有执行都不会数据争用，则该程序不会数据争用。

内存模型可确保无争用数据程序的所有事件的顺序一致性。

共享内存准则