在多线程编程中，数据同步是非常重要的。由于多个线程访问共享数据，因此如果不实现数据同步，可能会导致数据的不一致性或者是竞争条件等问题。在Linux中，memorybarrier（内存屏障）是一种与数据同步相关的指令，它可以确保内存访问的顺序和可见性，防止因不同线程的交错执行而导致的数据访问顺序错乱的问题。

一、内存屏障（Memory Barriers）

在多线程程序中，内存屏障是一种同步原语，它可以让CPU强制刷出CPU的无效缓存，以保证数据的可见性和有序性。内存屏障可以分为Read Memory Barrier和Write Memory Barrier。

1.1 Read Memory Barrier

在Linux中，Read Memory Barrier是通过“rmb”指令实现的。它的作用是防止CPU对内存读取指令进行优化，确保程序在执行读操作之前，先确保其它的写操作已经完成，以保证数据的可见性和一致性。

1.2 Write Memory Barrier

Write Memory Barrier 通过“wmb”指令实现，它的作用是防止CPU对内存写入指令进行优化，使得内存写操作在完成之前，其它CPU无法访问该内存，保证数据写入的可见性和有序性。

二、memorybarrier指令实现同步原语

Linux内核2.6.18版本后提供了一个新的函数“memorybarrier”，它实现了内存屏障功能，并提供了更广泛的使用范围，支持多种memory barrier，可以控制代码中的指令执行顺序，确保数据的同步和一致性，进一步提高了多线程程序的稳定性。

2.1 数据缓存的同步

在多线程程序中，一个线程对共享内存的访问可能会导致缓存的内容和内存不一致。例如，一个线程通过指针修改一个共享变量的值，而另一个线程则使用该值进行运算。如果多个线程读写同一个内存地址，可能会导致数据不一致的问题。为了解决这个问题，Linux内核提供了一个叫做"memory barrier"的指令，可以强制刷新CPU所缓存的数据到内存中。

2.2 指令重排的影响

在CPU的执行过程中，通常会将程序中的指令进行优化和重排。这样可以提高程序的执行效率。但是，如果是多线程程序，在执行过程中，可能会因为指令重排的现象导致数据不一致，从而造成程序失败。“memory barrier”指令可以控制指令执行的顺序，避免指令重排对程序执行的影响，保证多线程程序的正确性。

2.3 同步原语的优化

“memory barrier”指令还可以对同步原语进行优化，同时保证数据的一致性。比如，如果一个进程正在使用一个文件描述符进行读取操作，在读取过程中，另一个进程不能修改这个文件的内容。为了实现这个功能，需要使用“memory barrier”指令来实现同步，保证读取的数据是最新的。

三、使用memorybarrier指令的注意事项

在使用memorybarrier指令时，需要注意以下几点：

3.1 指令的执行速度

由于其操作需要写入缓存中，因此策略应是在实际需要时执行指令而非无条件执行。如果在某些情况下，指令的执行次数太多，可能会影响程序的性能。

3.2 指令的选择

对于不同的应用场景，应选择合适的memorybarrier指令进行使用。例如，对于加锁操作，可以使用“smp_mb__before_spinlock”指令，这个指令可以保证上面的写操作在下面的写操作之前执行，确保数据的同步和一致性。

四、总结

在多线程编程中，数据同步是一个非常重要的问题。Linux内核提供了一个内存屏障指令“memorybarrier”，它可以在多线程程序中确保内存访问的顺序和可见性，防止因不同线程的交错执行而导致的数据访问顺序错乱的问题。使用memorybarrier指令，可以保证多线程程序的稳定性和正确性。但是在使用时，需要注意指令的执行速度和选择不同的指令等问题，以避免影响程序的性能。