C++ <atomic>汇编语言实现原理
C++ <atomic>汇编语言实现原理
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:
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
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?这里一位面试官问过我,把我问住了,我当时回答的是给指令加锁,保证上面三行汇编指令不会被打断。但其实这样是错误的,或者说效率很低的,有可能需要引入额外的硬件机制。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):
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:
- 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。- 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
我在这里说一下实现原子操作的思路: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。
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