CPU原子性指令助力并发之路(上)

2023-09-28 17:16:15

并发性是现代计算的基石。随着硬件变得越来越强大，我们能够在单个计算机上运行多个程序和任务。并发编程允许应用程序同时执行多个任务，这可以提高应用程序的性能和响应能力。

然而，并发编程也带来了很多挑战。其中一个挑战就是处理并发访问共享资源时可能发生的竞争条件。当多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据损坏或程序崩溃。

为了解决这个问题，计算机体系结构师发明了原子性指令。原子性指令是一组保证在执行过程中不会被中断的指令。这确保了共享资源在任何给定时刻只能被一个线程访问，从而防止了竞争条件的发生。

CPU原子性指令是并发编程的基础。没有CPU最底层的支持，上层应用根本就无法解决并发问题。应用程序使用自身语言提供的同步机制（如锁和信号量）来协调对共享资源的访问，而这些同步机制最终都是建立在CPU原子性指令之上的。

在本文中，我们将探讨并发性和原子性指令，说明为什么它们对多线程编程如此重要，并分析如何利用它们来构建更高效更可靠的应用程序。

为了理解原子性指令，我们首先需要了解指令段和指令排序的概念。

指令段是一组连续的指令，它们被作为整体执行。在单线程环境中，指令段是按顺序执行的。然而，在多线程环境中，指令段可能被不同的线程同时执行。

指令排序是指指令执行的顺序。在单线程环境中，指令总是按顺序执行。然而，在多线程环境中，指令的执行顺序可能与它们在程序中的顺序不同。

原子性指令是一组保证在执行过程中不会被中断的指令。这意味着，原子性指令要么完全执行，要么根本不执行。不会出现部分执行的情况。

原子性指令对于解决并发编程中的竞争条件非常重要。通过使用原子性指令，我们可以确保共享资源在任何给定时刻只能被一个线程访问。

CPU提供了一系列原子性指令，包括：

比较并交换（CAS）：CAS指令用于更新共享变量的值。它将变量的当前值与给定值进行比较。如果两个值相等，则CAS指令将变量的值更新为新值。否则，CAS指令将不执行任何操作。
加载链接/存储链接（LL/SC）：LL/SC指令用于加载和存储共享变量的值。LL指令将共享变量的值加载到寄存器中，而SC指令将寄存器中的值存储到共享变量中。LL/SC指令保证加载和存储操作是原子性的。
栅栏指令：栅栏指令用于强制处理器按顺序执行指令。栅栏指令后面的指令必须在栅栏指令前面的指令执行完成之后才能执行。