信号量如何在多核系统上实现？

Question

我无法理解 Posix 如何允许任何线程在信号量上解锁（发布）。让我们考虑以下示例：

// sem1 and sem2 are a Posix semaphore,
// properly initialized for single process use
// at this point, sem2 is locked, sem1 is unlocked 
// x and y are global (non-atomic, non-volatile) integer variables
// thread 1 - is executing right now

rc = sem_wait(&sem1); // succeeded, semaphore is 0 now
x = 42;
y = 142;
sem_post(&sem2);
while (true);

// thread 2. waits for sem2 to be unlocked by thread1 
sem_wait(&sem2);
sem_post(&sem1);

// thread 3
sem_wait(&sem1); // wakes up when sem1 is unlocked by thread2
#ifdef __cplusplus
std::cout << "x: " << x << ; y: " << y << "\n";
#else
printf("x: %d; y: %d\n", x, y);
#endif

现在，根据我所读到的所有内容，这段代码 100% 符合逾越节的犹太教规。在线程 3 中，我们保证看到 x 为 42，y 为 142。我们免受任何种族的影响。

但这是我无法理解的。所有这些线程都可能在 3 个不同的内核上执行。如果芯片内部没有强大的内存排序（ARM、PowerPC）或写入不是原子的（x86 用于未对齐的数据），Core2 上的线程 2 如何可能请求 Core1（忙于线程 1）正确释放数据/完成写入/ 等等？据我所知，没有这样的命令！

我在这里缺少什么？

编辑。请注意，建议的重复并不能回答我的问题。它重申了我的说法，但没有解释如何可能达到这种效果。特别是，它没有解释 Core2 如何在 Core1 的缓存中设置内存屏障。

Answer 1

...因为它是这样定义的。

任何线程都可以将一个单元发布到信号量。

信号量主要不是锁定机制，因此“解锁”是不合适的。

信号量支持发布和等待。

在复杂架构的情况下，例如。许多多核处理器、信号量的实现以及其他线程间同步机制可能会变得相当复杂。例如，可能需要通过处理器间驱动程序发送同步消息，因此硬件中断其他内核以强制它们处理同步。

Answer 2

看起来它是通过等待来自 Win32 的 POSIX 线程库的信号（由操作系统控制）来实现的：

       * If the sema is posted between us being cancelled and us locking
       * the sema again above then we need to consume that post but cancel
       * anyway. If we don't get the semaphore we indicate that we're no
       * longer waiting.
       */
      if (*((sem_t *)sem) != NULL && !(WaitForSingleObject(s->sem, 0) == WAIT_OBJECT_0))
    {
      ++s->value;
#if defined(NEED_SEM)
      if (s->value > 0)
        {
          s->leftToUnblock = 0;
        }
#else
      /*
       * Don't release the W32 sema, it doesn't need adjustment
       * because it doesn't record the number of waiters.
       */
#endif /* NEED_SEM */
    }
      (void) pthread_mutex_unlock (&s->lock);
    }
}

当然，我们没有可供我们使用的 Windows 源代码。所以 POSIX 实现的路径到此结束。

Linux 并非如此。 sem_wait.c 使用futex_wait()，并在此函数的源代码中确定CPU 是否可以支持某些函数。例如; CPU有比较和交换功能吗？但即使在那里，也没有充分考虑架构的全部功能。 lll_futex_wait() 等函数在lowlevellock.h 中定义。所以对于 PowerPC，我们有powerpc/lowlevellock.h，例如下面的 sn-p：

/* Set *futex to ID if it is 0, atomically.  Returns the old value */
#define __lll_robust_trylock(futex, id) \
  ({ int __val;                                   \
     __asm __volatile ("1:  lwarx   %0,0,%2" MUTEX_HINT_ACQ "\n"          \
               "    cmpwi   0,%0,0\n"                 \
               "    bne 2f\n"                     \
               "    stwcx.  %3,0,%2\n"                \
               "    bne-    1b\n"                     \
               "2:  " __lll_acq_instr                 \
               : "=&r" (__val), "=m" (*futex)                 \
               : "r" (futex), "r" (id), "m" (*futex)              \
               : "cr0", "memory");                    \
     __val;                                   \
  })

所以答案可能是，如果它是在 Linux 上实现的，那么架构特定库中可能有一些实现或解决方法可以解决“缺失”指令。

Answer 3

如果 sem1 = 1 和 sem2 = 0 的初始值，那么线程 3 和线程 1 都可以锁定。这取决于哪个线程先进入。假设如果线程3先执行，那么sem1现在将变为0，线程1无法获得锁，线程2也无法获得锁，因为它依赖于线程1。如果初始值sem1 = 0 那么没有线程可以得到锁....我认为这会有所帮助..