浅析ARMv8体系结构：原子操作

概述

在编程中，当多个处理器或线程访问共享数据，并且至少有一个正在写入时，操作必须是原子的，这意味着数据访问必须被视为相对于其他处理器的单个操作，以避免数据竞争条件。

原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持，在不同的处理器体系结构上，原子操作会有不同的实现，例如在x86体系结构下，通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。目前在ARMv8体系结构下支持两种方式来实现原子操作：

• 一种是经典的独占内存访问机制，也叫做LL/SC（Load-Link/Store-Conditional），早期ARM体系结构下的原子操作都是基于这种方式实现；
• 另一种是ARMv8.1体系结构上新增的LSE（Large System Extension）扩展，LSE提供了多种原子内存访问操作指令。

LL/SC机制

LL/SC机制使用多个指令，并且每个处理器都需要实现一个专有监视器，LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。首先看下ARMv8体系结构提供的独占内存访问指令。

独占内存访问指令

ARMv8体系结构实现的独占内存访问指令为LDXR/STXR：

• LDXR：内存独占加载指令，它从内存中以独占方式加载内存地址的值到寄存器中；
• STXR：内存独占存储指令，它以独占的方式把数据存储到内存中。

LDXR/STXR的指令格式如下：

ldxr    <xt>, [xn | sp] 
stxr    <ws>, <xt>, [xn | sp]

多字节独占内存访问指令

LDXP和STXP指令是多字节独占内存访问指令，一条指令可以独占地加载和存储16字节。

ldxp    <xt1>, <xt2>, [xn | sp]
stxp    <ws>, <xt1>, <xt2>, [<xn | sp>]

独占监视器

独占监视器是一个硬件状态机，用于跟踪读-修改-写序列，并支持Load和Store操作。当CPU执行LDXR指令时，独占监视器会把对应内存地址标记为独占访问模式，保证以独占的方式来访问这个内存地址；而STXR是有条件的存储指令，当CPU执行STRX指令将新数据写入到LDXR指令标记的独占访问内存地址时，会根据独占监视器的状态来进行处理：

• 若独占监视器为独占访问状态，那么STRX指令执行成功，并且独占监视器会切换状态到开放访问状态；
• 若独占监视器为开放访问状态，则STRX指令执行失败，数据无法存储。

ARMv8体系提供了三类独占监视器：

• 本地独占监视器
• 内部缓存一致性全局独占监视器
• 外部全局独占监视器

这些独占监视器分别位于系统存储结构的不同层次，如下

经典自旋锁实现

如下是一个经典的基于独占访问机制的自旋锁实现：

LSE机制

LL/SC操作本质上是多个CPU核竞争某个内存变量的独占访问，当系统处理器的数量很少时，这可以正常工作；当增加处理器的数量时，处理器之间的竞争冲突会加剧，这会严重影响系统系统；再加上Cache的影响，先前访问到内存变量的处理器会更容易再次获得变量的访问权，这使得多核间访问变量的公平性也难以保证。

Armv8.1-A架构引入了新的原子操作指令，即LSE，LSE机制用于替代原来的LL/SC机制。LSE提升了多处理器系统中原子操作的性能，使用LSE，可以在单个指令中提供不可中断的读-修改-写序列。原子指令可以在指定的内存位置上执行简单的算术或逻辑操作，并将更新的值返回给处理器。LSE新增了三类指令：

• 原子内存操作指令，包含LD<op>和ST<op>，其中<op>可以是ADD、CLR、EOR、SET、SMAX、SMIN、UMAX和UMIN；
• 比较并交换指令，包括CAS和CASP
• 交换指令，SWP

原子内存操作指令

原子内存操作指令分成两类：原子加载指令和原子存储指令。原子内存访问指令的格式如下：

ld<op>  <xs>, <xt>, [<xn|sp>]
st<op>  <xs>, [<xn|sp>]

支持的原子操作后缀：

CAS指令

CAS指令的格式如下

cas <Ws>, <Wt>, [<Xn|SP>{,#0}]
cas <Xs>, <Xt>, [<Xn|SP>{,#0}]casp <Ws>, <W(s+1)>, <Wt>, <W(t+1)>, [<Xn|SP>{,#0}]
casp <Xs>, <X(s+1)>, <Xt>, <X(t+1)>, [<Xn|SP>{,#0}]

交换指令

交换指令的指令格式如下：

swp <Ws>, <Wt>, [<Xn|SP>]
swp <Xs>, <Xt>, [<Xn|SP>]

相关参考

• 《ARM64体系结构编程与实践》
• 《奔跑吧，Linux内核》
• ARMv8.1平台下新添加原子操作指令
• Introduction to Large System Extensions