什么指令集支持原子操作

前言

这个是在面试的时候遇到的问题，当时没有答出来。回到家以后查了查，整理记录下来。 原问题：什么指令集支持原子操作？其原理是什么？ 如果考虑到全部的指令集，问题太大了，这里简化下。以X86和ARM为例。 原子操作是不可分割的操作，在执行完毕时它不会被任何事件中断。在单处理器系统(UniProcessor，简称 UP)中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是原子操作，因为中断只能发生在指令与指令之间。 比如，C语言代码   如果未经优化，有可能生成如下汇编：     这样在有多个进程执行这段代码时，就有可能产生并发问题：     这就会出现问题。 在单处理器中，解决这个问题的方法是，将count++语句翻译成单指令操作 X86指令集支持inc操作，这样count操作可以在一条指内完成。 进程的上下文切换总是在一条指令执行之后完成，所以不会出现上述的并发问题。对于单处理器来说，一条处理器指令就是一个原子操作。 同样，ARM里的SWP和X86里的XCHG都是对于单处理器来说，是原子操作。 但是，在多处理器系统(Symmetric Multi-Processor，简称 SMP)中情况有所不同，由于系统中有多个处理器在独立的运行，即使在能单条指令中完成的操作也可能受到干扰。因为这个时候并发的主题不再是进程，而是处理器。

X86架构

Intel X86指令集提供了指令前缀lock用于锁定前端串行总线FSB，保证了指令执行时不会收到其他处理器的干扰。 比如： 使用lock指令前缀之后，处理期间对count内存的并发访问（Read/Write）被禁止，从而保证了指令的原子性。 如图所示： X86LOCK 其原理在Intel开发手册有如下说明：

 

在执行伴随的指令期间使处理器的LOCK＃信号有效（将指令变为原子指令）。在多处理器环境中，LOCK＃信号确保处理器在信号有效时独占使用任何共享存储器。 LOCK前缀只能附加在下面的指令之前，并且只适用于那些目标操作数是内存操作数的指令格式：ADD，ADC，AND，BTC，BTR，BTS，CMPXCHG，CMPXCH8B，CMPXCHG16B，DEC，INC， NEG，NOT，OR，SBB，SUB，XOR，XADD和XCHG。 如果LOCK前缀与这些指令之一一起使用，并且源操作数是内存操作数，则可能会生成未定义的操作码异常（#UD）。如果LOCK前缀与任何不在上述列表中的指令一起使用，也会产生未定义的操作码异常。无论是否存在LOCK前缀，XCHG指令都始终声明LOCK＃信号。 LOCK前缀通常与BTS指令一起使用，以在共享存储器环境中的存储器位置上执行读取 – 修改 – 写入操作。 LOCK前缀的完整性不受存储器字段对齐的影响。内存锁定是针对任意不对齐的字段。

操作系统中的实现

Linux源码中对于原子自增一是如下定义的：   LOCK_PREFIX的定义如下所示：   可见：在对称多处理器架构的情况下，LOCK_PREFIX被解释为指令前缀lock。而对于单处理器架构，LOCK_PREFIX不包含任何内容。 另外，对于CAS，有cmpxchg指令进行操作。代码如下：

static __always_inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new)
{
return cmpxchg(&v->counter, old, new);
}


#define cmpxchg(ptr, old, new)                      
__cmpxchg(ptr, old, new, sizeof(*(ptr)))


#define __cmpxchg(ptr, old, new, size)                  
__raw_cmpxchg((ptr), (old), (new), (size), LOCK_PREFIX)


#define __raw_cmpxchg(ptr, old, new, size, lock)            
({                                  
__typeof__(*(ptr)) __ret;                   
__typeof__(*(ptr)) __old = (old);               
__typeof__(*(ptr)) __new = (new);               
switch (size) {                         
case __X86_CASE_B:                      
{                               
volatile u8 *__ptr = (volatile u8 *)(ptr);      
asm volatile(lock "cmpxchgb %2,%1"          
: "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)      
: "q" (__new), "0" (__old)         
: "memory");               
break;                          
}                               
case __X86_CASE_W:                      
{                               
volatile u16 *__ptr = (volatile u16 *)(ptr);        
asm volatile(lock "cmpxchgw %2,%1"          
: "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)      
: "r" (__new), "0" (__old)         
: "memory");               
break;                          
}                               
case __X86_CASE_L:                      
{                               
volatile u32 *__ptr = (volatile u32 *)(ptr);        
asm volatile(lock "cmpxchgl %2,%1"          
: "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)      
: "r" (__new), "0" (__old)         
: "memory");               
break;                          
}                               
case __X86_CASE_Q:                      
{                               
volatile u64 *__ptr = (volatile u64 *)(ptr);        
asm volatile(lock "cmpxchgq %2,%1"          
: "=a" (__ret), "+m" (*__ptr)      
: "r" (__new), "0" (__old)         
: "memory");               
break;                          
}                               
default:                            
__cmpxchg_wrong_size();                 
}                               
__ret;                              
})

 

ARM架构

在ARM架构下，没有LOCK#指令，其具体实现如下：## ARMv6之前 早期的ARM架构是不支持SMP的，这些单核架构的CPU实现原子操作的方式就是通过关闭CPU中断来完成的。 在Linux对于ARM架构的代码下 有如下：   这个是好多操作共用的一套代码。 对于cmpxchg：   可以看到，对v->counter的操作是一个临界区，指令的执行不能被打断，内存的访问也需要保持没有干扰。 ARMv6以前的版本通过关本地中断来保护这块临界区，看起来相当简单，其奥秘就在于ARMv6以前的版本不支持SMP。 比如经典的read-modify-write问题，其本质是保持一个对内存read和write访问的原子性问题，也就是说内存的读和写的访问不能被打断。对该问题的解决可以通过硬件、软件或者软硬件结合的方法来进行。 早期的ARM CPU给出的方案就是依赖硬件：SWP这个汇编指令执行了一次读内存操作、一次写内存操作，但是从程序员的角度看，SWP这条指令就是原子的，读写之间不会被任何的异步事件打断。具体底层的硬件是如何做的呢？这时候，硬件会提供一个lock signal，在进行memory操作的时候设定lock信号，告诉总线这是一个不可被中断的内存访问，直到完成了SWP需要进行的两次内存访问之后再clear lock信号。 多说一点关于SWP和SWPB的内容 这两个指令是用来同步的，不是用来执行原子操作的。在将独占访问引入ARM架构之前，SWP和SWPB指令常用于同步。 其局限性是：如果中断在触发交换操作时触发，则处理器必须在执行中断之前完成指令的加载和存储部分，从而增加中断延迟。由于独立加载和独占存储是单独的指令，因此在使用新的同步基元时会降低此效果。 但是在多核系统中，交换指令期间阻止所有处理器访问主存会降低系统性能。在处理器工作在不同频率但是共享相同主存的多核系统中，情况尤其如此。 所以在ARMv6及以后的版本中，弃用了SWP,  ARMv6架构引入了独占访问内存为止的概念，提供了更灵活的原子内存更新。 ARMv6体系结构以Load-Exclusive和Store-Exclusive同步原语LDREX和STREX的形式引入了Load Link和Store Conditional指令。从ARMv6T2开始，这些指令在ARM和Thumb指令集中可用。独立加载和专有存储提供了灵活和可扩展的同步，取代了弃用的SWP和SWPB指令。 后来使用的是LDREX和STREX指令，在armv7之后就用了ldrex和strex:   访存指令LDREX/STREX和普通的LDR/STR访存指令不一样，它是“独占”访存指令。这对指令访存过程由一个称作“exclusive monitor”的部件来监视是否可以进行独占访问。   独占访存指令： (1)LDREX R1 ，[R0] 指令是以独占的方式从R0所指的地址中取一个字存放到R0中； (2)STREX R2，R1，[R0] 指令是以独占的方式用R1来更新内存，如果独占访问条件允许，则更新成功并返回0到R2，否则失败返回1到R2。 最后，大家知道答案吗？　　

      审核编辑：彭静