测试和设置是做啥用的？

Posted 2023-02-22

【中文标题】测试和设置是做啥用的？

【英文标题】：What is Test-and-Set used for?测试和设置是做什么用的？

【发布时间】：2008-09-23 13:22:00

【问题描述】：

在阅读了 Test-and-Set Wikipedia entry 之后，我仍然想知道“Test-and-Set 的用途是什么？”

我知道您可以使用它来实现 Mutex（如***中所述），但它还有什么其他用途？

【参考方案1】：

一个很好的例子是“增量”。

假设有两个线程执行a = a + 1。假设a 以值100 开头。如果两个线程同时运行（多核），则两者都将a 加载为100，递增到101，并将其存储回a。错了！

使用 test-and-set，您说的是“将 a 设置为 101，但前提是它当前具有值 100。”在这种情况下，一个线程将通过该测试，但另一个线程将失败。在失败的情况下，线程可以重试整个语句，这次将a加载为101。成功。

这通常比使用互斥锁更快，因为：

大多数情况下不存在竞争条件，因此无需获取某种互斥锁即可进行更新。 即使在冲突期间，一个线程也不会被阻塞，而另一个线程只是旋转并重试比将自身挂起以等待某个互斥体更快。

【讨论】：

@jason-cohen：这实际上是对Compare and Swap 的描述。测试和设置通常只涉及值 0 和 1。set 部分是指将指定内存位置的值设置为 1。它返回之前的值，1 或 0，并执行所有这些都在一个原子操作中。

@GregSlepak 是正确的，这是 compare_and_swap。 test_and_set() 接受一个指向目标的布尔指针，将其设置为 TRUE 并返回指针的原始值。如果test_and_set(&lock)的返回值（即&lock的原始值）为真，则进入临界区。

同意@GregSlepak，上面的回复是比较和交换的一个例子，而不是测试和设置。

【参考方案2】：

您在完成一些工作后想要将数据写入内存的任何时候都可以使用它，并确保自您开始以来另一个线程没有覆盖目标。很多lock/mutex-free algorithms 都采用这种形式。

【参考方案3】：

假设您正在编写一个银行应用程序，并且您的应用程序请求从帐户中提取 10 英镑（是的，我是英国人；））。所以需要将当前账户余额读入一个局部变量，减去取款，然后将余额写回内存。

但是，如果在读取值和写出值之间发生另一个并发请求怎么办？该请求的结果可能会被第一个完全覆盖，并且帐户余额将不正确。

Test-and-set 通过检查覆盖的值是否是您认为的值来帮助我们解决该问题。在这种情况下，您可以检查余额是否是您读取的原始值。由于它是原子的，因此它是不可中断的，因此没有人可以在读取和写入之间从您身下拉出地毯。

解决相同问题的另一种方法是对内存位置进行锁定。不幸的是，锁非常难以正确，难以推理，存在可伸缩性问题并且在面对故障时表现不佳，因此它们不是理想（但绝对实用）的解决方案。测试和设置方法构成了一些软件事务内存的基础，它乐观地允许每个事务同时执行，但如果它们发生冲突则以回滚它们为代价。

【参考方案4】：

考虑到原子性的巨大重要性，基本上，它的用途正是用于互斥锁。就是这样。

Test-and-set 是一种可以使用另外两条指令执行的操作，非原子指令和更快（在多处理器系统上原子性承担硬件开销），因此通常您不会出于其他原因使用它。

【参考方案5】：

当您需要获取共享值、对其执行某些操作并更改该值时使用它，假设另一个线程尚未更改它。

至于实际用途，我最后一次看到它是在并发队列的实现中（可以由多个线程推送/弹出而不需要信号量或互斥体的队列）。

为什么要使用 TestAndSet 而不是互斥锁？因为它通常比互斥锁需要更少的开销。在互斥体需要操作系统干预的情况下，可以将 TestAndSet 实现为 CPU 上的单个原子指令。在具有 100 多个线程的并行环境中运行时，关键代码部分中的单个互斥锁可能会导致严重的瓶颈。

【讨论】：

mutex 内部可能使用测试和设置。你如何比较 TestAndSet 和互斥锁。我觉得比较不合适

在 Python 中，互斥对象明确地有一个“testandset”方法。文档将其称为“原子”，带有引号，这并不能激发信心，但它确实表明这两个概念不是，呃，互斥的。

【参考方案6】：

也可以用来实现自旋锁：

void spin_lock(struct spinlock *lock)

        while (test_and_set(&lock->locked));

【参考方案7】：

Test-and-set Lock (TLS) 用于实现进入临界区。

TLS <destination> <origin>

一般来说，TLS 是由两个步骤组成的原子操作：

将值从origin复制到destination 将origin 的值设置为1

让我们看看如何使用 TLS CPU 指令实现一个简单的互斥锁进入临界区。

我们需要一个将用作共享资源的内存单元。我们称之为lock。对我们来说重要的是，我们可以为这个内存单元设置 0 或 1 值。

然后进入临界区会是这样的：

enter_critical_section:
    TLS <tmp>, <lock>           ; copy value from <lock> to <tmp> and set <lock> to 1
    CMP <tmp>, #0               ; check if previous <lock> value was 0
    JNE enter_critical_section  ; if previous <lock> value was 1, it means that we didn't enter the critical section, and must try again
    RET                         ; if previous <lock> value was 0, we entered critical section, and can return to the caller

要离开临界区，只需将 lock 的值设置回 0：

leave_critical_section:
  MOV <lock>, #0  
  RET

附言

例如，在 x86 中有一个XCHG instruction，它允许与另一个寄存器交换注册表/内存的值。

XCHG <destination> <origin>

XCHG指令进入临界区的实现：

enter_critical_section:
    MOV <tmp>, #1
    XCHG <tmp>, <lock>
    CMP <tmp>, #0
    JNE enter_critical_section
    RET