处理器如何实现原子操作
处理器如何实现原子操作
- 一、并发和并行概念
- 二、单核原子操作
- 解决方法
- 三、多核原子操作
- 总线锁方式
- 缓存锁方式（缓存一致性）
- 存储器结构
- 多核cpu的存储关系
- 缓存一致性
- MESI协议
- CAS
一、并发和并行概念
原子（atomic）：是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。
并发：单核cpu上，当多个线程在在操作时，把cpu运行时间划分为若干时间段，再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其他线程处于挂起状态。
并行：多核cpu上，当一个核心处理器执行一个线程时，另一个核心处理器可以同时个线程。
总结：
单cpu计算机中进程只能是并发，多cpu计算机中进程可以并行。
单cpu单核计算机中线程只能并发，单cpu多核计算机中线程可以并行。
二、单核原子操作
C语言语句“count++;”在未经编译器优化时生成的汇编代码为。
当操作系统内存在多个进程同时执行这段代码时，就可能带来并发问题。
假设count变量初始值为0。进程1执行完“mov eax, [count]”后，寄存器eax内保存了count的值0。此时，进程2被调度执行，抢占了进程1的CPU的控制权。进程2执行“count++;”的汇编代码，将累加后的count值1写回到内存。然后，进程1再次被调度执行，CPU控制权回到进程1。进程1接着执行，计算count的累加值仍为1，写回到内存。虽然进程1和进程2执行了两次“count++;”操作，但是count实际的内存值为1，而不是2！
解决方法
解决这个问题的方法是，将“count++;”语句翻译为单指令操作：
Intel x86指令集支持内存操作数的inc操作，这样“count++;”操作可以在一条指令内完成。因为进程的上下文切换是在总是在一条指令执行完成后，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。
三、多核原子操作
总线锁方式
在多处理器的环境下，例如SMP架构，这个结论不再成立。我们知道“inc [count]”指令的执行过程分为三步：
1）从内存将count的数据读取到cpu。
2）累加读取的值。
3）将修改的值写回count内存。
这又回到前面并发问题类似的情况，只不过此时并发的主题不再是进程，而是处理器。
| 核心1 | 核心1 |
| mov eax,[count] | 处理 |
| 处理 | mov eax,[count] |
| 处理 | Inc eax |
| 处理 | mov [count]，eax |
| Inc eax | 处理 |
| mov [count]，eax | 处理 |
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受到其他处理器的干扰。
使用lock指令前缀后，处理器间对count内存的并发访问（读/写）被禁止，从而保证了指令的原子性。当一个CPU核执行一个线程去访问数据做操作的时候，它会向总线上发送一个LOCK信号，此时其他的线程想要去请求主内存的时候，就会被阻塞，这样该处理器核心就可以独享这个共享内存，而且释放锁后，会调用smp_mb invalide，使其他核心的缓存失效。
缓存锁方式（缓存一致性）
存储器结构
一般而言，从高层往底层走，存储设备变得更慢、更便宜和更大。在最高层（L0），是少量快速的CPU寄存器，CPU可以在一个时钟周期内访问它们。接下来是一个或多个小型到中兴的基于SRAM的高速缓存存储器，可以在几个CPU时钟周期内访问它们。然后是一个大的基于DRAM的主存，可以在几十到几百个时钟周期内访问它们。接下来是慢速但容量很大的本地磁盘。最后，有些系统甚至包括了一层附加的远程服务器上的磁盘，要通过网络来访问他们。
多核cpu的存储关系
在多核cpu中，每个核心（core）独享L0、L1、L2存储器，共享其他的存储器。
由于存在缓存区，有可能出现缓存区数据不一致的情况。例如，有一个变量a=0，现在起两个线程都对变量a执行加一操作，假如两个线程分别在两个核心运行，开始时两个核心都把a的值0存到了自己的缓存中。线程1从自己的缓存区读取a的值0，加1后写入主内存。线程2也是从自己的缓存区读取a的值0，加1后写入主内存。最后a的值是1，而不是2。
缓存一致性
当某核心对其缓存中的数据进行了操作之后，就通知其他核心放弃储存在它们内部的对应的缓存，或者从主内存中重新读取此数据。缓存一致性主要是通过MESI协议实现
MESI协议
MESI：缓存行（缓存的基本单位，在Intel的cpu上一般为64字节）的4种状态（Modified、Exclusive、 Share or Invalid）的缩写。该协议要求在每个缓存行上维护两个状态位，使得每个数据单位可能处于M、E、S和I这四种状态之一，协议各种状态含义如下：
M：被修改的。处于这一状态的数据，只在本CPU中有缓存数据，而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说，是已经被修改的，且没有更新到内存中。
E：独占的。处于这一状态的数据，只有在本CPU中有缓存，且其数据没有修改，即与内存中一致。
S：共享的。处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存，且与内存一致。
I：无效的。本CPU中的这份缓存已经无效
每个Core的Cache控制器不仅知道自己的读写操作，也监听其它Cache的读写操作，核心的读取会遵循几个原则：
一个处于M状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回主内存。
一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。
一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S。
当核心需要读取数据时，图见下方，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取，并把自己状态变成S，如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取。
当核心需要写数据时，只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行，否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，这是一种总线事务)，通知其他核心置缓存无效(I)，这种情况下性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为M。
Ps：并非所有情况都会使用缓存一致性的，
被操作的数据不能被缓存在处理器内部或操作数据跨越多个缓存行，处理器会调用总线锁定
有些处理器不支持缓存行锁定，只能用总线锁定，比如说奔腾486以及更老的CPU
CAS
CAS（Compare and Swap），cas记录原来内存中的值old，和将要修改的值new。CAS会检测现在内存中的值now,如果now和old一致，则说明没有别的cpu进行了内存修改，执行new值的更新。如果new和old值不等，则说明值已被修改，丢弃new值。
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