原子指令，自旋锁，CAS

原子指令，自旋锁，CAS

问题

我们先看一下这段代码：

/* 
 * badcnt.c - An improperly synchronized counter program 
 */
/* $begin badcnt */
/* WARNING: This code is buggy! */
#include "csapp.h"

void *thread(void *vargp);  /* Thread routine prototype */

/* Global shared variable */
volatile long cnt = 0; /* Counter */

int main(int argc, char **argv) 
{
    long niters;
    pthread_t tid1, tid2;

    niters = 100000;

    /* Create threads and wait for them to finish */
    Pthread_create(&tid1, NULL, thread, &niters);
    Pthread_create(&tid2, NULL, thread, &niters);
    Pthread_join(tid1, NULL);
    Pthread_join(tid2, NULL);

    /* Check result */
    if (cnt != (2 * 100000))
	printf("BOOM! cnt=%ld\n", cnt);
    else
	printf("OK cnt=%ld\n", cnt);
    exit(0);
}

/* Thread routine */
void *thread(void *vargp) 
{
    long i, niters = *((long *)vargp);

    for (i = 0; i < niters; i++) //line:conc:badcnt:beginloop
	    cnt++;                   //line:conc:badcnt:endloop

    return NULL;
}
/* $end badcnt */

这段代码创建了两个线程，每个线程都对cnt全局变量执行100000次++操作，所以我们的得到的cnt应该是200000，但是结果却并不是这样：

image-20240320193222326

很奇怪啊，两个线程都对cnt执行++操作，怎么比200000要小啊，而且每次结果都不一样。

其实从汇编语言（指令）的角度去理解这个，就能解释这个问题。将cnt++翻译成对应的汇编指令，是这样：

movq cnt(%rip), %rdx // 加载cnt
addq $1, %rdx // 更新cnt
movq %rdx, cnt(%rip) // 写回cnt

我们知道，指令才是cpu上执行的最小单位（可以把一条指令的执行理解成不可中断的），我们可以发现，如果一个进程在更新cnt之后，还没有写回，但是此时另一个进程已经读取了cnt，是不是就出问题了！就比如此时cnt是1，一个进程取出来了进行加1，得到2，但是还没有写回，但是另一个进程此时正在执行第一条指令，这样就出问题了。所以这是导致cnt结果不符合期待的原因。

解决方案

思路1

前面不是说一个++操作被分解为了三条指令吗，如果CPU实现了一个这样的指令:

inc 1, cnt(%rip)

这个指令是在cnt(%rip)上实现加1操作，这样是不是就万事无忧了，但是其实这样也是不行的🙅，因为指令并不是CPU上执行的最小单位，现代处理器CPU会把一个指令分为五个步骤进行执行，取指，译码，访存，执行，写回，这样做是为了实现处理器流水线，加快指令的执行。详见：CSAPP学习笔记——chapter4 处理器体系结构
所以正如下图所示，如果一个前面的inc指令在写回之前，前面已经有指令进行了访存，那么一样会导致错误的结果。  
image

原子指令

C++给我们提供了原子操作： atomic<int> cnt;这个时候对cnt进行算数运算，就是正确的。宏观意义上就是对a进行的操作是原子的，但是atomic的是怎么实现的呢？。其实x86-64处理器提供了一个汇编指令帮助编译器实现atomic。

也就是 CMPXCHG (compare and exchange)（原子指令）：

在执行CMPXCHG之前，先在EAX中存储了旧值，

这个指令的功能是这样的：

  1. 比较：CMPXCHG 首先将目标内存位置的值与 EAX 或 RAX中的旧值进行比较。
  2. 交换：如果目标内存位置的值与寄存器中的值相等（即比较结果为相等），CMPXCHG 会将另一个指定寄存器的值写入目标内存位置。如果不相等，CMPXCHG 将目标内存位置的值加载到那个寄存器中。

这个指令的基本形式如下：

CMPXCHG 目标位置（与eax比较）, source

稍微提一下原子指令在x86 硬件上的实现，大概如下图所示，将下一条指令的读内存给推迟到了上一条指令的写回。所以原子指令会牺牲一定的效率，但是又相较于使用互斥锁效率高，因为没有线程的上下文切换等开销。
image

在执行累加之前，首先把cnt的旧值存储到eax中，然后再去读取这个值，并执行运算得到source值，此时就会执行CMPXCHG了，如果旧值和目标位置值相等，就写入，这个写入是不可中断的（应该是CMPXCHG内部的实现），如果不相等，就把目标内存的值加载到eax中的值就会被更新为内存中的新值，再重新执行算数操作，然后重复这个过程。

自旋锁

在xv6上基于原子指令还可以实现自旋锁，核心代码在这里：
image
image

可以看到这里不断的想使用 xchg获取一把锁，将锁的值设为 1，如果写入之前不是 0，就代表获取锁失败了，因此会在这里使用 while 循环一直等待。
可以看到自旋锁也没有涉及线程的阻塞。

refer

posted @ 2024-03-20 22:02  CuriosityWang  阅读(35)  评论(0)  编辑  收藏  举报