对 int 变量赋值的操作是原子的吗?为什么?

点击蓝字

dfe41c7a8094f5cadf0dce6cba67c637.png

关注我们

因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享

来源于网络,侵删

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

f5a120b83414a1344420c76b795bd4dc.png

如果未经优化,有可能生成如下汇编:

b27482700e694ce0cdcbb7146b695fb2.png

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:

258f54e1425b1d2afb841f79345341bc.png

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

282ec712ff04102adc8ec43819a4e779.png

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:

e9295600bbdd2bafa90c36d91cc86834.png

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:

534882ef103a979c3826bc7030438a7a.png

X86LOCK

其原理在Intel开发手册有如下说明:

Description

Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal ensures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.

The LOCK prefix can be prepended only to the following instructions and only to those forms of the instructions where the destination operand is a memory operand: ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG. If the LOCK prefix is used with one of these instructions and the source operand is a memory operand, an undefined opcode exception (#UD) may be generated. An undefined opcode exception will also be generated if the LOCK prefix is used with any instruction not in the above list. The XCHG instruction always asserts the LOCK# signal regardless of the presence or absence of the LOCK prefix.

The LOCK prefix is typically used with the BTS instruction to perform a read-modify-write operation on a memory location in shared memory environment.

The integrity of the LOCK prefix is not affected by the alignment of the memory field. Memory locking is observed for arbitrarily misaligned fields.

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:

9ca519dd88a5814fa39e11d9bee48be4.png

LOCK_PREFIX的定义如下所示:

73bf0c551acaa7fd77b3cc22d6535c4d.png

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:

f151e44e6d15c765f80c4b4d9b8ecb45.png

这个是好多操作共用的一套代码。

对于cmpxchg:

728882e74b3198041620e463c3b8d7a6.png

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:

88f9b222ba7a13a213c0ae4f2f14becd.png

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。

664e29d08e724602937ae8b67d181e4f.gif

如果你年满18周岁以上,又觉得学【C语言】太难?想尝试其他编程语言,那么我推荐你学Python,现有价值499元Python零基础课程限时免费领取,限10个名额!
▲扫描二维码-免费领取

5b793713c0adc5f753d93c4e651088b7.gif

戳“阅读原文”我们一起进步

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/337217.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

C语言知识总结:if-else判断语句和switch-case选择语句

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删1、if-else判断语句一个基本的if语句由一个关键字if开头,跟上在括号()里边的是表示逻辑条件的表达式&#xf…

hibernate性能_改善Hibernate应用程序性能的7种方法

hibernate性能Hibernate是将Java Web应用程序与SQL数据库集成的好工具,但是当应用程序的响应时间开始显着增加时,我们应该怎么做? 当我们怀疑应用程序是否会随着客户群的增长而扩展时,我们该怎么办? 在花大价钱托管或…

为什么永远不会有语言取代C/C++?

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删数以百计的 C/C 替代品将会出现,但 C/C 将永远与我们同在!每个 CPU 都带有一种称为 ISA(指令集架构&#xff…

sql 非主键每年自增_或许你不知道的 10 条 SQL 技巧

上文我们简述了 SQL 的一些进阶技巧,一些朋友觉得不过瘾,我们继续来下篇,再送你 10 个技巧一、 使用延迟查询优化 limit [offset], [rows]经常出现类似以下的 SQL 语句:SELECT * FROM film LIMIT 100000, 10offset 特别大!这是我司出现很多慢…

C语言最全入门笔记

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删c语言入门C语言一经出现就以其功能丰富、表达能力强、灵活方便、应用面广等特点迅速在全世界普及和推广。C语言不但执行效率高而且可移植性好&am…

junit测试spring_使用Spring JUnit规则进行参数化集成测试

junit测试springSpring 4.2附带了全新的JUnit规则: SpringClassRule和SpringMethodRule 。 使用JUnit规则的主要优点是让开发人员摆脱SpringJUnit4ClassRunner并在Spring集成测试中利用不同的JUnit运行器。 我认为Spring JUnit Rules的最大机会是易于创建参数化的集…

无处不在_Java无处不在:使用DukeScript在任何地方运行一次编写

无处不在在相当长一段时间内,Java都未能兑现“一次编写,随处运行”的承诺。 DukeScript希望通过在跨平台应用程序中实现视图和逻辑的清晰分离来改变这种状况。 在本文中,一个简单的场景用于介绍DukeScript的基础。 多年以来,Java…

C语言为何不会过时

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删评价任何一门编程语言,都是招人骂的。永远是这样。就像是春寒料峭的季节, 街上穿棉袄和穿单衣的擦肩而过,双方…

教你如何用一句话激怒IT人

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删在IT行业摸爬滚打这么久,你是否听过下面这些话:“这个很简单,我也是做程序出身的。”“预算砍掉一半&#xf…

java的网络编程有用吗_十大有用但又偏执的Java编程技术

java的网络编程有用吗经过一段时间的编码(以我为例,大约20年左右,当您玩得开心时光飞逝),人们开始接受这些习惯。 因为,你知道... 任何可能出错的事情都会发生。 这就是为什么人们会采用“防御性编程”的原…

未来五年有颠覆性的IT技术都在这里

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删据福布斯杂志报道,在美国奥兰多举行的Gartner研讨会上,市场研究机构Gartner Research的副总裁兼资深研究员大卫卡利&…

java ee maven_真正释放Maven和Java EE的强大功能

java ee maven如果野心和愿景太复杂而无法使用,则它们可能会淘汰伟大的解决方案。 尽管Maven和Java EE是在整个Java行业中都已建立的良好技术,但是使用它们并使用其作者打算使用的所有技术和模式来设计项目可能非常棘手。 在开发过程中途,由…

程序员们,想在双十一脱单?赶快跟我捯饬起来吧

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删生活中有很多男人一边抱怨自己不够洋气,找不到女票,另一方面又懒到宁肯在床上撸啊撸,也不愿意好好打扮自己。…

jboss8日志级别设置_罐中研讨会:设置JBoss BRMS全日研讨会

jboss8日志级别设置是否在寻找一种简单的方法来宣传,展示或演示使用JBoss业务规则管理系统(BRMS)产品的入门难度? 别无所求,因为我们已经召集了这个研讨会,因此您可以围绕JBoss BRMS构建一个晚上&#xff…

C语言编程时你常犯的18种错误

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删C语言的最大特点是:功能强、使用方便灵活。C编译的程序对语法检查并不象其它高级语言那么严格,这就给编程人员留下“灵活…

这些知识你都不知道,难怪说你学不懂C语言!

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删关于C语言的那些小知识,准备学习或者刚刚入门的你已经了解了吗?语言种类编译语言静态声明语言面向过程的编程语言环境工具…

图片识别出处_AI人脸识别

前言最近网络上爆火的藏族小哥哥丁真,大家都知道吗?十几天前凭借一张纯真、干净、帅气的脸霸屏各大短视频平台,连各大电视台新闻媒体都争相报道,这个藏族小伙瞬间火了!!网友们对于丁真的长相评价不一&#…

【从零开始学C语言】知识总结一:C语言的基本知识汇总

点击蓝字关注我们因公众号更改推送规则,请点“在看”并加“星标”第一时间获取精彩技术分享来源于网络,侵删C语言是一种计算机程序设计语言。它既有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点。它可以作 为系统设计语言,编写工作系统应…

排球分组循环交叉编排_同学!中国海洋大学第一届排球联赛等你来战!

New中国海洋大学第一届排球联赛开始啦比赛宗旨1亲爱的同学们:为增强学生凝聚力,加强新老生交流,促进各院系的友谊,培养同学们的团队精神,丰富同学们的课余生活,展示我校文体风采,特此举办本次中…

jolokia_使用WildFly 9和Jolokia监视DevOps样式

jolokiaDevOps是当今最热门的话题之一。 并且围绕它的广泛主题使您很难真正找到完整的描述或涵盖体面粒度的所有内容。 可以肯定的一件事是:最重要的部分之一是提供正确的度量标准和信息以监视应用程序。 Java EE和JMX 监视Java EE服务器的标准方法是JMX。 使用JCo…