使用 cmpxchg 的 x86 自旋锁

Question

我是使用 gcc 内联汇编的新手，想知道在 x86 多核机器上是否可以将自旋锁（无竞争条件）实现为（使用 AT&T 语法）：

spin_lock:
mov 0 eax
lock cmpxchg 1 [lock_addr]
jnz spin_lock
ret

spin_unlock:
lock mov 0 [lock_addr]
ret

Answer 1

您的想法是正确的，但您的 asm 已损坏：

cmpxchg 无法使用立即操作数，只能使用寄存器。

lock 不是 mov 的有效前缀。在 x86 上，mov 到对齐地址是原子的，因此您无论如何都不需要 lock。

自从我使用 AT&T 语法以来已经有一段时间了，希望我记住了一切：

spin_lock:
    xorl   %ecx, %ecx
    incl   %ecx            # newVal = 1
spin_lock_retry:
    xorl   %eax, %eax      # expected = 0
    lock; cmpxchgl %ecx, (lock_addr)
    jnz    spin_lock_retry
    ret

spin_unlock:
    movl   $0,  (lock_addr)    # atomic release-store
    ret

请注意，GCC 有原子内置函数，因此您实际上不需要使用内联汇编来完成此操作：

void spin_lock(int *p)
{
    while(!__sync_bool_compare_and_swap(p, 0, 1));
}

void spin_unlock(int volatile *p)
{
    asm volatile ("":::"memory"); // acts as a memory barrier.
    *p = 0;
}

正如 Bo 下面所说，锁定指令会导致成本：您使用的每个人都必须获得对缓存行的独占访问权限并锁定它当 lock cmpxchg 运行时，类似于正常存储到该缓存行，但在 lock cmpxchg 执行期间保持不变。这可能会延迟解锁线程，尤其是在多个线程正在等待获取锁的情况下。即使没有很多 CPU，它仍然很容易且值得进行优化：

void spin_lock(int volatile *p)
{
    while(!__sync_bool_compare_and_swap(p, 0, 1))
    {
        // spin read-only until a cmpxchg might succeed
        while(*p) _mm_pause();  // or maybe do{}while(*p) to pause first
    }
}

当您的代码像这样旋转时，pause 指令对于超线程 CPU 的性能至关重要 - 它让第二个线程执行当第一个线程正在旋转时。在不支持 pause 的 CPU 上，它被视为 nop。

pause 还可以防止在离开自旋循环、最终再次进行实际工作时发生内存顺序错误推测。 x86 中“PAUSE”指令的用途是什么？

请注意，自旋锁实际上很少使用：通常，人们使用诸如临界区或 futex 之类的东西。它们集成了一个自旋锁，以在低争用情况下提高性能，但随后又回到操作系统辅助的睡眠和通知机制。他们还可能采取措施来提高公平性，以及 cmpxchg / pause 循环无法执行的许多其他操作。

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另请注意，对于简单的自旋锁来说，cmpxchg 是不必要的：您可以使用xchg，然后检查旧值是否为 0。在锁定指令内执行更少的工作可能会使缓存行保持固定的时间更短。有关完整的汇编，请参阅通过内联汇编锁定内存操作使用 xchg 和 pause 实现（但仍然没有回退到操作系统辅助睡眠，只是无限期地旋转。）

Answer 2

这将减少内存总线上的争用：

void spin_lock(int *p)
{
    while(!__sync_bool_compare_and_swap(p, 0, 1)) while(*p);
}

Answer 3

语法错误。稍加修改后就可以工作了。

spin_lock:
    movl $0, %eax
    movl $1, %ecx
    lock cmpxchg %ecx, (lock_addr)
    jnz spin_lock
    ret
spin_unlock:
    movl $0, (lock_addr)
    ret

提供运行速度更快的代码。假设 lock_addr 存储在 %rdi redister 中。

使用 movl 和 test 而不是 lock cmpxchgl %ecx, (%rdi) 进行旋转。

仅当有机会时才使用 lock cmpxchgl %ecx, (%rdi) 尝试进入临界区。

这样就可以避免不必要的总线锁定。

spin_lock:
    movl $1, %ecx
loop:
    movl (%rdi), %eax
    test %eax, %eax
    jnz loop
    lock cmpxchgl %ecx, (%rdi)
    jnz loop
    ret
spin_unlock:
    movl $0, (%rdi)
    ret

我已经使用 pthread 和这样的简单循环对其进行了测试。

for(i = 0; i < 10000000; ++i){
    spin_lock(&mutex);
    ++count;
    spin_unlock(&mutex);
}

在我的测试中，第一个需要2.5~3秒，第二个需要1.3~1.8秒。