比较并交换不适用于许多核心

Posted 2023-02-16

【中文标题】比较并交换不适用于许多核心

【英文标题】：Compare-And-Swap not working on many Cores

【发布时间】：2017-03-30 06:49:17

【问题描述】：

当我发现“CAS”指令时，我记得我很清楚它可以用于运行在单个 CPU 上的线程，但我很惊讶它可以用于多个 CPU

昨天，我第一次有机会在我的一个开发项目上对其进行测试。我实现了它，它真的很好用；我所有的单元测试都是绿色的。完美。

但是今天，我在另一台机器上运行了我的单元测试，但它们现在失败了。不太完美

两台机器的主要区别在于第一台（单元测试为绿色的那台）是一台老旧的笔记本电脑，只有一个内核！第二个是更新的i7，功能更强大...

现在，在我的 i7 上，如果我强制我的单元测试在一个内核上运行，它们就会成功。我通过运行来做到这一点

taskset -c <cpu-id> my-unit-test

合法地，我原来的问题又回来了：CAS 是否适用于许多内核？好吧，根据我读到的，如果没有，我会感到惊讶......

那又怎样？我希望它来自我的代码中的错误。为了给你更多信息，我有一个带有关键部分的类。我添加了一个属性

bool m_isBeingModified;

它被初始化为false。此外，在我的关键部分的开头，我运行了函数

inline void waitForClassBeingModified()

  while (!__sync_bool_compare_and_swap(&m_isBeingModified, false, true))
   /// I concider that I can to such a loop as my critical section is very light/short

最后，在我的关键部分结束时，我重置了我的布尔变量

 m_isBeingModified = false;

我尝试将我的属性设置为volatile，但它没有改变任何东西：我的单元测试仍然失败

最后信息：

gcc --version
gcc (Ubuntu 6.2.0-5ubuntu12) 6.2.0 20161005
Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

感谢您的帮助

【问题讨论】：

您是将自己的互斥锁作为学习经验还是编写生产代码？如果是后者，那么您可能需要重新考虑使用库（如 pthread）或操作系统中提供的同步对象。

我的代码不适用于生产。更多的是为了通过__sync_bool_compare_and_swap了解CAS的用法的测试

【参考方案1】：

还可以使用__sync_bool_compare_and_swap 来取消设置变量，而不仅仅是m_isBeingModified = false;。另外，不要实现自己的互斥锁...

编译器和 CPU 都可以以意想不到的方式重新排序代码。 __sync 原语的标记方式是为了防止这种重新排序发生。因此，对于m_isBeingModified = false;，编译器很可能会首先将变量设置为false，然后才为您打算在关键区域内的任何内容生成代码。

【讨论】：

谢谢。我对重新排序感到非常惊讶，因为如果我将我的属性声明为volatile，也会发生这种情况。但是，您似乎是对的：如果我还使用__sync_bool_compare_and_swap 取消设置我的变量，我的问题就消失了。

“另外，不要实现自己的互斥锁”是什么意思？您的意思是我应该使用“标准”pthread 互斥锁还是您有其他想法？

是的，我的意思是您应该只使用“标准”pthread 互斥锁。

volatile 仅对编译器有意义。 CPU 根本看不到它，因此仍然允许围绕这个存储重新排序内存访问。此外，volatile 在 C 标准中没有多大意义。我真的不知道它有什么帮助。

【参考方案2】：

多亏了 Uli 的宝贵帮助，我想我现在有了所有可以回答我的问题的要素。

首先，在此之前我可能还不清楚，但我想要防止并发访问的功能非常简单。完成大约需要 80 个 cpu 周期 (TSC)。这就是为什么比起使用pthread_mutex，我更喜欢实现我自己的基于一个 CAS 的“轻量”并发互斥锁。

我发现 this interesting page 解释了如何“暂时”禁用代码重新排序，这要归功于以下说明：

__asm__ __volatile__("":::"memory");

使用它，我确实提高了并发保护，当然我所有的测试仍然成功。

总结一下，下面的列表报告了我尝试过的不同解决方案对性能的影响：

原码（无保护）

：80 TSC左右

双 CAS（设置和取消设置变量）

：大约 105 TSC

基于互斥锁的解决方案

：大约 120 TSC

单个 CAS + 禁用重新排序

：大约 85 TSC