x64 CPU 上的原子 16 字节读取

Posted 2023-02-16

【中文标题】x64 CPU 上的原子 16 字节读取

【英文标题】：Atomic 16 byte read on x64 CPUs

【发布时间】：2012-03-15 19:15:20

【问题描述】：

我需要以原子方式读/写 16 个字节。我只使用 cmpxchg16 进行写作，它适用于所有 x64 处理器，但我认为只有一个不起眼的 AMD 处理器。

现在的问题是对齐的 16 字节值，只有使用 cmpxchg16 进行修改（它就像一个完整的内存屏障）是否有可能读取一半旧数据和一半新数据的 16 字节位置？

只要我使用 SSE 指令读取（因此线程不能在读取过程中被中断），我认为读取是不可能的（即使在多处理器 numa 系统中）看到不一致的数据。我认为它必须是原子的。

我假设当 cmpxchg16 被执行时，它会原子地修改 16 个字节，而不是通过写入两个 8 字节块来让其他线程在两者之间进行读取（老实说，我不明白它是如何如果它不是原子的就可以工作。）

我说的对吗？如果我错了，有没有办法在不求助于锁定的情况下进行原子 16 字节读取？

注意：有一个couple similar questions here，但它们不处理仅使用 cmpxchg16 完成写入的情况，所以我觉得这是一个单独的、未回答的问题。

编辑：其实我认为我的推理是错误的。一条 SSE 加载指令可以作为两次 64 位读取执行，并且 cmpxchg16 可能会在两次读取之间由另一个处理器执行。

【问题讨论】：

在链接的问题中已经回答了 16 字节 SSE 读取可以通过多个内存访问来实现，即它们不是原子的。使用 CMPXCHG16B 以原子方式完成写入并没有什么不同。读取也必须是原子的，否则您可能会看到不一致的数据。 AFAIK 您唯一的选择是使用 CMPXCHG16B 阅读。

是的，我错误地认为我只需要在读取之间停止线程被中断，但实际的总线操作本身仍然可以交错。

在读取上使用 cmpxchg16b 会使读取速度减慢到无法接受的程度。但是通过多使用 25% 的内存，我可以使用像 Dmitry Vyukov 的 hashmap 这样的 seqlock 风格的方法：1024cores.net/home/downloads

【参考方案1】：

typedef struct

  unsigned __int128 value;
 __attribute__ ((aligned (16))) atomic_uint128;

unsigned __int128
atomic_read_uint128 (atomic_uint128 *src)

  unsigned __int128 result;
  asm volatile ("xor %%rax, %%rax;"
                "xor %%rbx, %%rbx;"
                "xor %%rcx, %%rcx;"
                "xor %%rdx, %%rdx;"
                "lock cmpxchg16b %1" : "=A"(result) : "m"(*src) : "rbx", "rcx");
  return result;

这应该可以解决问题。 typedef 确保正确对齐。 cmpxchg16b 需要在 16 字节边界上对齐数据。

cmpxchg16b 将测试*src 是否包含零，如果是则写入零（nop）。在任何一种情况下，正确的值都会在 RAX:RDX 之后出现。

上面的代码计算结果很简单

push   %rbx
xor    %rax,%rax
xor    %rbx,%rbx
xor    %rcx,%rcx
xor    %rdx,%rdx
lock cmpxchg16b (%rdi)
pop    %rbx
retq

【讨论】：

是的，我认为这一定是这样做的。现在我突然想到，一个简单的 SSE 负载可以拆分为两个 64 位读取，并且 cmpxchg16 可能会在读取之间发生。

【参考方案2】：

根据引用 http://siyobik.info/main/reference/instruction/CMPXCHG8B%2FCMPXCHG16B CMPXCHG16 默认不是原子的，但可以通过使用 LOCK http://siyobik.info/main/reference/instruction/LOCK 使其成为原子

这意味着默认情况下，可以在读取和写入阶段更改数据。锁定使读取和写入都是原子的。

【讨论】：

"请注意，CMPXCHG16B 要求目标（内存）操作数是 16 字节对齐的。"

对不起，是的，我的意思是 cmpxchg16 带有锁定前缀。但是 lock 不能与 SSE 指令一起使用。