x86平台上的顺序一致原子加载

Question

我对x86上的顺序一致性加载操作很感兴趣。

就我从编译器生成的汇编清单中所看到的，它被实现为在x86上的普通加载，然而据我所知，普通加载保证具有获取语义，而普通存储则保证具有发布语义。

顺序一致性存储是通过锁定xchg来实现的，而加载则是普通加载。这对我来说听起来很奇怪，请您详细解释一下？

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刚在互联网上发现，只要使用锁定的xchg进行存储，顺序一致性原子加载就可以简单地完成mov，但没有证明和文档链接。

- axe

Answer 1

在x86架构中，如果使用了“LOCK”指令进行SC存储，数值被正确对齐，并且使用了“normal”WB缓存模式，则普通的MOV指令足以实现原子顺序一致性加载。

完整的映射请参见我的博客文章：http://www.justsoftwaresolutions.co.uk/threading/intel-memory-ordering-and-c++-memory-model.html，有关允许排序的详细信息，请参阅Intel处理器文档：http://developer.intel.com/products/processor/manuals/index.htm。

如果您使用“WC”缓存模式或“non-temporal”指令（如MOVNTI），那么所有情况都无法保证，因为处理器不一定会及时将数据写回主内存。

- Anthony Williams

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请参见为什么在x86上对自然对齐的变量进行整数赋值是原子的？，以获取原子性保证（这与任何排序保证无关）。 - Peter Cordes

https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/cpp/cpp0xmappings.html讲解了顺序关系。在x86的acq_rel模型上，您需要在加载或存储之一上设置完整的屏障才能恢复顺序一致性（实际上是seq-cst +具有存储转发的存储缓冲区），正如问题中的链接所解释的那样。编译器选择将额外的成本放在存储上，以便纯加载可以更便宜。 - Peter Cordes

Answer 2

如果对齐，x86上的读取本质上是原子性的，因此在英特尔汇编手册vol 2A中的MOV指令下的部分以及LOCK前缀应该提到这一点。其他卷也可能提到这一点。

然而，如果您想要进行原子读取，可以使用_InterlockedExchangeAdd((LONG*)&var,0)（又称LOCK XADD），这将产生旧值，但不会更改其值。同样可以使用InterlockCompareExchange((LONG*)&var,var,var)（又称LOCK CMPXCHG），但我认为没有必要这样做。

- Necrolis

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这是关于获取seq-cst ordering，而不仅仅是原子性。如果您还希望在加载的一部分中使用完整的内存屏障，则只需使用原子RMW作为加载即可。顺便说一下，CAS(&var, 0,0)永远不会修改该值，并避免首先对共享变量进行非原子加载。 - Peter Cordes

Answer 3

在多处理器环境中，寄存器到内存的传输和反向传输不一定是原子性的。

阅读

XOR EAX, EAX
LOCK XADD [address], EAX

这条第一条指令将清零EAX寄存器，第二条指令将交换EAX和[address]的内容，并再次将两者之和存储在[address]中。由于EAX寄存器在之前被清零了，所以没有任何变化。

编写

XCHG [address], EAX

EAX寄存器将获取要存储到指定地址的值。

编辑：使用LOCK ADD EAX，[address]会导致“无效操作码异常”，因为目标操作数不是内存地址。

当LOCK前缀与任何其他指令一起使用或未向内存进行写操作时，将生成无效操作码异常（＃UD）。8.1.2.2软件控制总线锁定

编辑2：总结评论中的信息。

虽然

"[...]处理器的锁定协议在交换操作的持续时间内自动实现，无论是否有LOCK前缀或IOPL的值的存在或不存在"

但存在限制

“跨总线宽度、高速缓存行和页面边界分割的可缓存内存访问不能保证是原子的”

- bkausbk

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请阅读英特尔手册3A卷中的“8.1.1保证原子操作”。尽管如此，在地址对齐方面知之甚少的情况下，您的方法仍然很有用（在您的第二段代码中的LOCK是不必要的，因为处理器将始终使用XCHG指令进行锁定）。 - LocoDelAssembly

你正在断章取义。 "跨总线宽度、缓存行和页面边界的可缓存内存访问在没有lock前缀的情况下，如mov eax，[mem]（对于对齐的mem是保证原子性的，这就是为什么编译器使用alignof( atomic<T> ) = sizeof(T)用于无锁原子操作。请参见为什么x86上自然对齐变量的整数赋值是原子的？）。 - Peter Cordes

你唯一使用慢速锁定操作进行加载和存储的原因是，如果你的原子变量跨越8字节边界。但更好的解决方法是对齐你的原子变量，这样你就可以使用廉价的加载！你只需要一个lock操作来进行原子RMW，或者用于加载或存储的seq-cst排序。你可以选择其中之一；通常的选择是廉价的加载。请参见https://www.cl.cam.ac.uk/~pes20/cpp/cpp0xmappings.html - Peter Cordes

@curiousguy 这完全是关于以不对齐的方式访问一块内存。这可以通过很多种方式来实现。 - bkausbk

如果你的数据跨越了缓存行，屏障是无法帮助你的；你需要一个lock前缀。但是分裂锁的性能是灾难性的。如果你坚持支持alignf(atomic<int>) = 1，那么最好使用自旋锁，即回退到不lock_free模式的操作。大多数系统都不会这样做；alignof(atomic<T>) = sizeof(T)和未对齐对象UB可能导致撕裂。此外，如果你依赖于未对齐的原子操作，你的程序将无法在非x86系统上移植；大多数LL/SC机器没有任何东西可以允许未对齐的原子操作。 - Peter Cordes