原子操作和原子指令

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引子

考虑如下的简单程序，全局变量x初始值为0：

int x = 0;

void thread1_func() {
  x++;
  print(x);
}

void thread2_func() {
  x++;
  print(x);
}

程序输出 1 2 或 2 2很容易理解，但也有可能输出为1 1。 Why?
原因便是x++不是原子操作，如果把它转为CPU指令形式，则很容易理解：
(1) Load x
(2) Inc x
(3) Store x
当第一个线程运行完第一步时，第二个线程也运行到此，这时它们得到的值都是0，然后将值加1再存回去，这时两个线程运行完时，x的值是1。

原子操作

最简单的解决方式便是使用原子操作，Linux中提供了以atomic_开头的原子操作函数，例如:

#define atomic_inc(v)
#define atomic_dec(v)
#define atomic_add(i, v)
...

v是atomic_t类型的变量，定义如下：

typedef struct {
  inc counter;
} atomic_t;

原子操作需要靠硬件实现，我们以arm64平台为例，看看atomic_add函数是如何实现的。
<arch/arm64/include/asm/atomic_lse.h>

#define ATOMIC_OP(op, asm_op)  static  inline  void  atomic_##op(int i, atomic_t *v) {     register  int w0 asm ("w0") = i;     register  atomic_t *x1 asm ("x1") = v;           \                       
   asm  volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(__LL_SC_ATOMIC(op), "  " #asm_op " %w[i], %[v]\n")   : [i] "+r" (w0), [v] "+Q" (v->counter)  : "r" (x1)  : __LL_SC_CLOBBERS); }
ATOMIC_OP(add, stadd)

GCC内联汇编

在介始具体实现前，我们先了解一下GCC内联汇编，GCC内联汇编的格式如下：
asm volatile(指令部：输出部：输入部：损坏部）

• 指令部中，数字加上前缀%，例如%0，%1，表示需要使用寄存器的操作数。为了提高可读性，可以使用汇编符号名来替代%前缀表示的操作数。
• 输出部用于规定输出变量的约束条件，通常以=号开头，接着一个字母表示操作数类型的说明，然后是关于变量结合的约束
• 输入部描述输入操作数，用逗号隔开
• 损坏部一般以memory开头，告诉编译器指令改变了内存中的值，在执行完汇编代码后重新加载该值，目的是防止编译乱序。clobber list描述了汇编代码对寄存器的修改情况。为何要有clober list？我们的c代码是gcc来处理的，当遇到嵌入汇编代码的时候，gcc会将这些嵌入式汇编的文本送给gas进行后续处理。这样，gcc需要了解嵌入汇编代码对寄存器的修改情况，否则有可能会造成大麻烦。例如：gcc对c代码进行处理，将某些变量值保存在寄存器中，如果嵌入汇编修改了该寄存器的值，又没有通知gcc的话，那么，gcc会以为寄存器中仍然保存了之前的变量值，因此不会重新加载该变量到寄存器，而是直接使用这个被嵌入式汇编修改的寄存器，这时候，我们唯一能做的就是静静的等待程序的崩溃。还好，在output operand list 和 input operand list中涉及的寄存器都不需要体现在clobber list中（gcc分配了这些寄存器，当然知道嵌入汇编代码会修改其内容），因此，大部分的嵌入式汇编的clobber list都是空的，或者只有一个cc，通知gcc，嵌入式汇编代码更新了condition code register。
  有了基本的了解后，现在开始解读上面的代码：
• 将变量i存放到寄存器w0中
• 将atomic_t类型的指针v存放到寄存器x1中
• 指令部使用原子指令stadd把变量i的值加到v->counter中，w表示位宽是32bit, x表示64bit
• 输出部[i]表示汇编符号为i的变量，+表示可读可写，r表示变量放入寄存器，Q表示需要通过指针间接寻址
• 输入部， r表示输入量在寄存器x1中
• 损坏部，通知GCC有资源更新

原子指令

上节中我们发现原子add操作是通过原子指令stadd实现的，在不同的架构上实现的方式可能不一样。

Bus Lock(锁总线）

CPU执行原子指令时，给总线上锁，这样在释放前，可以防止其它CPU的内存操作。

Cache Lock

除了和IO紧密相关的(如MMIO),大部分的内存都是可以被cache的，由前面介绍的cache一致性原理，我们知道由cacheline处于Exclusive或Modified时，该变量只有当前CPU缓存了数据，因此当进行原子操作时，发出Read Invalidate消息，使其它CPU上的缓存无效，cacheline变成Exclusive状态然后将该cacheline上锁，接着就可以取数据，修改并写入cacheline,如果这时有其它CPU也进行原子操作，发出read invalidate消息，但由于当前CPU的cacheline是locked状态，因此暂时不会回复消息，这样其它CPU就一直在等待，直到当前CPU完成，使cacheline变为unlocked状态。

LL/SC

在ARMv8.1之前，为实现RMW的原子操作的方法主要是LL/SC(Load-link/Store-condition).ARMv7中实现的指令是LDREX/STREX,原理如下：
假设CPU0进行load操作，标记变量V所在的内存地址为exclusive, 在CPU0进行store前，这时CPU1也对变量V进行了load操作，这时exclusive标记属于CPU1而不再属于CPU0，在CPU0进行store时会测试该地址的exclusive标记是不是自己的，如果不是，store失败。CPU1进行store, 因为exclusive标记是自己的，所以store成功，同时exclusive失效，这时CPU0会再次尝试一试LL/SC操作，直天成功为止。
如果CPU之间竞争比较激烈，可能导致重试的次数比较多，因此从2014年ARMv8.1开始，ARM推出了原子操作的LSE(Large System Extention)指令集扩展，新增的指令包括CAS, SWP和LD, ST等，其中可以是ADD, CLR, EOR, SET等，如例子中的stadd。

原子操作和原子指令

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原文地址：https://www.cnblogs.com/miaolong/p/12587812.html