原子操作
查看以下C语言代码：
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| #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:
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| .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
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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:
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| adrp x0, val
mov w1, 275
str w1, [x0]
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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):
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| #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)
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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。
参考
- DHT0008A_arm_synchronization_primitives.pdf
- LDREX/STREX(arm)
- Atomic operations in ARM(StackOverflow)
