体系结构对原子操作的实现和支持

原子操作

查看以下C语言代码：

#include <stdio.h>

int val = 169;

int main() {
    val = 275;
    printf("val %d \n", val);
    return 0;
}

通过GCC生成的arm64汇编如下:

    .arch armv8-a
    .file   "main.c"
    .text
    .global val
    .data
    .align  2
    .type   val, %object
    .size   val, 4
val:
    .word   169
    .section    .rodata
    .align  3
.LC0:
    .string "val %d \n"
    .text
    .align  2
    .global main
    .type   main, %function
main:
    stp x29, x30, [sp, -16]!
    add x29, sp, 0
    adrp    x0, val
    add x0, x0, :lo12:val
    mov w1, 275
    str w1, [x0]
    adrp    x0, val
    add x0, x0, :lo12:val
    ldr w1, [x0]
    adrp    x0, .LC0
    add x0, x0, :lo12:.LC0
    bl  printf
    mov w0, 0
    ldp x29, x30, [sp], 16
    ret
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 7.5.0-3ubuntu1~18.04) 7.5.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

在现代计算机体系结构中，对变量的赋值过程是分为三步的，以上文的val为例:

adrp    x0, val
mov w1, 275
str w1, [x0]

为了加速访问，程序在运行过程中访问的变量，通常会放置在寄存器中。如果在多线程环境中，某个线程中该三步执行的间隙，该变量被用于其他线程，这就带来了脏值问题。

为了解决这一问题，可以通过加锁解决。加锁是一种比较廉价且低效的方法，在体系结构中，提供了三个操作作为一个整体执行的原子操作。

ARM

SWP指令

在比较早的arm指令集中，提供SWP和SWPB指令，用于进行原子操作。用法如下：

SWP{B}{cond} Rt, Rt2, [Rn]

关于该指令的更多用法，参考这里

由于该指令的效率比较低，会降低整体系统的性能，在ARMv6及之后的指令集中已经不再建议使用。

LDREX/STREX指令

在ARMv6及之后的指令集中，引入了两条指令 -- LDREX/STREX 来提供原子操作。

这两条操作，都会引起exclusive monitor(s)状态的变化，下文将举一个简单的例子。

查看如下用法:

LDREX R1, [R0]

将R0地址的值加载到R1，并对相应的物理地址设置相应的标志，该标志由exclusive monitors进行管理。

STREX R2, R1, [R0]

根据物理地址的状态，决定是否要进行值的写会操作。R0是将要写入的物理地址，R1中存储需要写会的值，R2则存储了这一操作的运行结果，成功返回0，失败则返回1。

关于exclusive monitor，在arm的手册中，被描述为一个简单的状态机。LDREX被称之为Load-Exclusive指令，STREX被称之为Store-Exclusive指令。对于一个Store-Exclusive指令来说，访问中涉及到的物理内存都被标记为exclusive才能够写回成功。

更多关于exclusive monitor的描述，可以查看参考一。

在Load/Store-Exclusive的基础上，原子操作可以用如下代码实现(实现来自Linux):

#define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)                 \
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v)          \
{                                   \
    unsigned long tmp;                      \
    int result;                         \
                                    \
    prefetchw(&v->counter);                     \
    __asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n"           \
"1: ldrex   %0, [%3]\n"                     \
"   " #asm_op " %0, %0, %4\n"                   \
"   strex   %1, %0, [%3]\n"                     \
"   teq %1, #0\n"                       \
"   bne 1b"                         \
    : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)       \
    : "r" (&v->counter), "Ir" (i)                   \
    : "cc");                            \
}

ATOMIC_OP(atomic_add)

更多关于原子操作，可以查看Linux arch源码里的atomic.h

X86

X86的指令支持"lock"前缀，对于支持该前缀的cpu指令，使用该前缀后，能够保证是原子执行的。