C++ atomic memory model和Arm实现方式

Posted 2021-04-28 MindShare思享

C++  atomic memory model  和 Arm构架实现

C++的memory model是软件工程师比较难理解的一部分，因为深入理解它需要有一定的CPU构架和微构架的知识基础。

C++作为高级语言本身应该和CPU的硬件是无关的，但是为了使一些原子（atomic）操作能够在CPU更有效率的运行，避免因为原子操作带来的memory ordering要求对系统性能的影响，C++的原子操作会带有memory ordering的限定。

本文将通过图表的方式介绍C++的atomic memory ordering和其在Arm构架上的实现。

阅读本文需要有些C++atomic和CPU构架基础。

C++ atomic 变量和操作

§std::atomic 

 §The class to use when writing lock-free code! 

 §A template wrapper around various types, providing access that is: 

    Atomic – reads and writes are done as a whole. 

    Ordered with respect to other accesses to the variable (or others). 

§Depending on the target platform, operations can be lock-free, or protected by a mutex.

一个例子，

C++ memory model

§Memory access ordering is specified by std::memory_order _... 

 §Operations can limit reordering around themselves for operations with the ordinary variables and operations with other atomic variables.

下面是对每个memory ordering specifier (std::memory_order _...)限定的memory ordering的具体解释，绿色箭头表示允许的re-order,红色表示不允许的re-order. （图表原创，all copy rights are reserved）

Armv8.1-A构架实现

在不同的Arm构架上，C++的atomic的实现会有所不同。

在v7-A上是通过LDREX/STREX + DMB来实现的，在V8-A上通过LDREX/STREX + DMB和Load-acquire （LDRA）, store-release（STRL）指令来实现。

在Armv8.1-A上增加了atomic指令，这些指令本身也可以带acquire,release的memory ordering限定。

下面是Armv8.1-A的实现方法。

C++ lock free 编程

结语

只有充分理解C++的memory model，和理解它在具体CPU的实现，才能更正常和有效的使用它们。

本文作为一个概述，有时间再写更具体的内容。