鎖的硬件實現

鎖

鎖是什麼

在多線程（協程）系統中，鎖是實現互斥訪問的同步機制。

具體來講，鎖控制同一時刻只有一個線程（協程）訪問臨界區（critical section），避免競爭條件（race condition）的發生，從而保證併發的準確性。

具體的作法是在進入臨界區以前先加鎖，在離開臨界區以後立刻釋放鎖。

鎖的硬件實現

鎖是如何保證同一時刻只有一個線程（協程）訪問臨界區的，這涉及到鎖的具體實現。

通常來講，鎖的實現依賴底層的硬件指令，TAS（Test And Set）和 CAS（Compare And Set）是其中兩個被普遍使用的硬件指令。

Test And Set

TAS指令的語義是：向某個內存地址寫入值1，而且返回這塊內存地址存的原始值。TAS指令是原子的，這是由實現TAS指令的硬件保證的（這裏的硬件能夠是CPU，也能夠是實現了TAS的其餘硬件）。

在x86架構中，TAS對應的彙編指令是bts（bit test and set），在多核CPU中，須要在前面加lock前綴，也就是lock bts。

爲了便於理解把TAS翻譯成僞代碼

function TestAndSet(boolean_ref lock) {
    boolean initial = lock;
    lock = true;
    return initial;
}
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注意TestAndSet函數的執行要是原子的。

那麼怎麼在TAS的基礎上實現鎖呢？下面的case在TAS的基礎上實現一個簡單的自旋鎖，這個鎖雖然簡單，在功能上是完備的，關於鎖的效率和公平性問題後面再討論。

volatile int lock = 0;

void Critical() {
    while (TestAndSet(&lock) == 1);
    critical section // only one process can be in this section at a time
    lock = 0 // release lock when finished with the critical section
}

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注意上面的volatile關鍵字，volatile的語義是直接從內存中讀取變量值。 對於實現了memory barriers的編譯器來講，每次讀取變量值以前，都會把以前對變量的寫操做所有刷入內存，對於沒有實現memory barriers的編譯器來講則不必定，這種狀況下，上述釋放鎖的操做lock=0，不會當即生效，雖然上個線程已經釋放了鎖，可是lock=0並不會立刻刷到內存，下個線程也就不能立刻得到鎖，對鎖的效率有必定影響。

Compare And Swap

同TAS同樣，CAS也是由硬件支持的原子操做。在x86架構中，CAS對應的彙編指令是CMPXCHG。

CAS的語義是：比較某個內存地址的值與一個給定值（這個給定值是上一刻今後內存地址讀出來的），若是相等，則把一個新值寫入到此內存地址，有點抽象，翻譯成代碼以下

int compare_and_swap(int* reg, int oldval, int newval) {
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}
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與TAS不一樣的是，TAS只操做一個bit，CAS能夠操做32（64）個bit。

在多核CPU環境下，在CMPXCHG指令前加LOCK前綴，LOCK CMPXCHG才能保證操做是原子的。

ABA問題

ABA問題也叫作調包問題，其含義是：在多核CPU中，若是在讀舊值和CAS操做之間，另一個或者多個核對舊值就好了兩次或屢次修改，且修改的最終結果與舊值相同（從A到B再到A），那麼在執行CAS操做的核看來，CAS操做成功了，可是正確的行爲應該是這次CAS操做失敗，由於舊值已經被修改屢次。

解決ABA問題的一個思路是使用double-length CAS，一半字節用來存儲一個counter，一半字節存儲value，每次對value進行修改，counter都會+1。這樣在發生ABA時，雖然value是同樣的，可是counter大機率（思考什麼狀況下counter也會一致）不一致，從而解決ABA問題。

須要注意的是，發生ABA問題的根本緣由是一個核在執行CAS操做時（假設使用內存地址X），其餘核是能夠讀寫內存地址X的，也就是說，在單核CPU中，不會發生ABA問題。在多核CPU中，除了double-length CAS以外，還有其餘方式防止ABA。好比前面說的，在CMPXCHG指令前加LOCK前綴，也能防止ABA出現。LOCK CMPXCHG中LOCK的語義是保證LOCK後續指令訪問對應內存是排他的，都不容許其餘核訪問對應的內存了，天然也就不存在ABA問題了。

最後須要說明的是，也存在不依賴於TAS和CAS實現的鎖，好比說下面的case。

; Intel syntax

locked:                      ; The lock variable. 1 = locked, 0 = unlocked.
     dd      0

spin_lock:
     mov     eax, 1          ; Set the EAX register to 1.

     xchg    eax, [locked]   ; Atomically swap the EAX register with
                             ;  the lock variable.
                             ; This will always store 1 to the lock, leaving
                             ;  the previous value in the EAX register.

     test    eax, eax        ; Test EAX with itself. Among other things, this will
                             ;  set the processor's Zero Flag if EAX is 0.
                             ; If EAX is 0, then the lock was unlocked and
                             ;  we just locked it.
                             ; Otherwise, EAX is 1 and we didn't acquire the lock.

     jnz     spin_lock       ; Jump back to the MOV instruction if the Zero Flag is
                             ;  not set; the lock was previously locked, and so
                             ; we need to spin until it becomes unlocked.

     ret                     ; The lock has been acquired, return to the calling
                             ;  function.

spin_unlock:
     xor     eax, eax        ; Set the EAX register to 0.

     xchg    eax, [locked]   ; Atomically swap the EAX register with
                             ;  the lock variable.

     ret                     ; The lock has been released.
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