ARM系列--同步原語

在具有多個(gè)執(zhí)行線程的系統(tǒng)中，某些資源可能不能同時(shí)被訪問或者修改。這些資源可以是外圍設(shè)備或內(nèi)存緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如打印機(jī)不會在一個(gè)時(shí)刻響應(yīng)多個(gè)訪問。這就需要一些同步機(jī)制去處理這些資源的同時(shí)控制（concurrency control）問題。需要注意的是，這里說的“同步”，不是同時(shí)的意思，而是協(xié)同的意思。某個(gè)資源使用受限的情況下，你用完了我用，大家協(xié)同工作。

可以通過“鎖（lock）”機(jī)制來實(shí)現(xiàn)同步，對這些不能同時(shí)被訪問的共享資源提供一個(gè)鎖。線程在訪問這些資源之前必須先獲得鎖權(quán)限。這時(shí)，如果其它線程也想申請鎖，會發(fā)現(xiàn)鎖被占用，只能等待鎖被釋放。擁有鎖的線程在訪問結(jié)束后，必須釋放鎖，以便其它的線程可以繼續(xù)訪問。

可以使用內(nèi)存中的變量來實(shí)現(xiàn)簡單的鎖，該變量可以包含兩個(gè)值（狀態(tài)）：LOCKED和UNLOCKED。進(jìn)程如果發(fā)現(xiàn)這個(gè)鎖是UNLOCKED狀態(tài)，即可以修改為LOCKED，并擁有該資源的訪問權(quán)限。

圖中的整個(gè)過程分為三個(gè)步驟：

讀內(nèi)存中的變量，并做狀態(tài)比較；

修改寄存器值；

寫內(nèi)存變量。

在具有多個(gè)核或線程的系統(tǒng)中，此方法容易受到另一個(gè)線程的攻擊，即在變量值的第一次讀取和回寫之間修改內(nèi)存中的值。

這個(gè)問題可以用軟件解決，也可以用額外的硬件功能來解決。一種解決方案可以是使“讀-比較-修改-寫（read-compare-modify-write）”的原子操作指令。ARM架構(gòu)的早期版本使用SWP指令實(shí)現(xiàn)類似的功能。

ARMv8-A使用下面要介紹的，一種特殊類型的加載和存儲指令來檢測內(nèi)存中的值自上次讀取以來是否發(fā)生了變化。ARMv8-A 64位指令集提供了兩條獨(dú)占指令LDXR（Load Exclusive）和STXR（Store Exclusive）。

當(dāng)使用LDXR指令讀取地址時(shí)，會將其標(biāo)記為獨(dú)占訪問。如果使用STXR指令向標(biāo)記為獨(dú)占的地址寫入，則會清除獨(dú)占狀態(tài)。嘗試使用STXR指令向未標(biāo)記為獨(dú)占的地址寫入將會失敗。地址的獨(dú)占狀態(tài)由稱為獨(dú)占監(jiān)視器（Exclusive Monitor）的硬件維護(hù)。

使用獨(dú)占load/store后的鎖實(shí)現(xiàn)：

鎖值的更新不能保證是原子的，但現(xiàn)在可以檢測到初始讀取和更新之間的任何更改。如果獨(dú)占存儲失敗，軟件可以再次嘗試獲取鎖。

前面提到過，需要對標(biāo)記為獨(dú)占的地址進(jìn)行監(jiān)控。獨(dú)占監(jiān)視器可以是一個(gè)簡單的狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)可以是開放的（open）和獨(dú)占的（exclusive）。ARM架構(gòu)定義了兩種不同的狀態(tài)機(jī)：本地獨(dú)占監(jiān)視器（Local Exclusive Monitor）和全局獨(dú)占監(jiān)視器（Global Exclusive Monitor）。

根據(jù)被訪問地址的可共享性屬性，檢查本地監(jiān)視器或全局監(jiān)視器的獨(dú)占訪問。

對于Non-shareable地址的獨(dú)占訪問檢查僅在本地獨(dú)監(jiān)視器。

對shareable地址的獨(dú)占訪問檢查在本地監(jiān)視器或全局監(jiān)視器。

每個(gè)處理器核都有一個(gè)與其關(guān)聯(lián)的本地監(jiān)視器。本地監(jiān)視器可以構(gòu)造為保存特定地址的獨(dú)占狀態(tài)，也可以構(gòu)造為不保存該地址。本地監(jiān)視器作為處理器的一部分實(shí)現(xiàn)。

全局監(jiān)視器在多個(gè)處理器核之間共享。與本地監(jiān)視器一樣，它們只需要監(jiān)視一個(gè)地址，如果監(jiān)視器可以標(biāo)記多個(gè)地址，則每個(gè)地址都有自己的狀態(tài)機(jī)。

ARM體系結(jié)構(gòu)要求以下內(nèi)存類型能夠與全局監(jiān)視器一起工作：

如果程序無法獲得鎖，會不斷嘗試申請鎖。但是這樣會浪費(fèi)處理器的資源，并且消耗不必要的功耗。有幾種方式可以改善這個(gè)問題。對于在釋放鎖之前等待時(shí)間相對較長的情況，鎖代碼可以返回給操作系統(tǒng)調(diào)度程序，這允許在釋放鎖之前調(diào)度其它線程。

對于鎖可能快速被釋放的情況，ARM架構(gòu)有一種機(jī)制，即允許處理器暫停執(zhí)行，進(jìn)入低功耗模式，等待鎖被釋放。ARM提供WFE（Wait For Event）指令，如果處理器申請鎖失敗，程序可以執(zhí)行WFE進(jìn)入等待。以前的做法是，負(fù)責(zé)釋放鎖的代碼中會執(zhí)行SEV（Send Event）指令，通過發(fā)送EVENT喚醒正在等待鎖資源的處理器核?，F(xiàn)在ARMv8-A架構(gòu)中，清除全局監(jiān)視器會自動向所有連接的處理器核發(fā)送EVENT喚醒。

審核編輯 ：李倩