如何以原子方式读取 x86 ASM 中的值？答案

【问题标题】：How do I atomically read a value in x86 ASM?如何以原子方式读取 x86 ASM 中的值？
【发布时间】：2010-07-28 04:06:18
【问题描述】：

我知道如何在 x86 ASM 中原子地写入一个值。但是我怎么读呢？ LOCK 前缀不能与 mov 一起使用。

为了增加价值，我在做：

lock inc dword ptr Counter

如何以线程安全的方式读取 Counter？

【问题讨论】：

标签： assembly x86 thread-safety atomic

【解决方案1】：

正如我在this 帖子中向您解释的那样：

对可缓存内存的访问跨越总线宽度、缓存线、和页面边界不保证由 Intel Core 2 Duo 实现原子化，英特尔酷睿双核、奔腾 M、奔腾 4、 Intel Xeon、P6 系列、Pentium 和 Intel486 处理器。英特尔酷睿 2 双核、英特尔酷睿双核、奔腾 M、 Pentium 4、Intel Xeon 和 P6 系列处理器提供总线控制信号允许外部存储器子系统使拆分访问原子化；然而，非对齐的数据访问将严重影响性能处理器，应该避免使用。

所以使用：

LOCK        CMPXCHG   EAX, [J]

LOCK CMPXCHG 首先锁定缓存，然后将 EAX 与目标值进行比较，如果目标值不相等，则 EAX 中的结果为目标值。

编辑：链接到：

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manuals

在Volume 3A: System Programming Guide 中查看第 8.1.1 节

同时检查：Optimization Reference Manual section: CHAPTER 7 OPTIMIZING CACHE USAGE

【讨论】：

那不会编译，因为 [J] 是一个内存指针。它必须是一个寄存器值。这是我无法绕过的第 22 条规则。
我从您的另一篇文章中看到，只要值对齐并符合 CPU 的总线宽度，这实际上不是问题。
@IamIC：确切地说，不是总线宽度。英特尔和 AMD 保证的最低共同点是 mov 加载/存储是原子的 if it doesn't cross an 8-byte boundary (for cached accesses). 或者对于未缓存的，如果它是对齐的或不跨越双字边界的 16 位访问。 [J] 也只是一个绝对或（在 x86-64 中）RIP-relative 寻址模式。这不是双重间接。它组装得很好。 MASM 语法通常会省略 []，但它们在 MASM 中是可选的，在 NASM 中是必需的。
无论如何，因为错误地暗示您需要lock cmpxchg 进行负载而被否决。 在静态数据上，只需在J: 标签前使用ALIGN 4。
我在哪里暗示这样的？

【解决方案2】：

我不是汇编专家，但字长（在 x86 上，32 位）读/写应该已经是原子的了。

您需要锁定增量的原因是因为它既是读取又是写入。

【讨论】：

并非总是如此！如果内存地址在使用多 CPU 单元中的第二个 CPU 的高速缓存中，则不能保证读取是原子的。所以使用 "LOCK CMPXCHG EAX, [var]" 来屏蔽内存缓存。
@GJ：我认为这仅适用于未对齐的数据 - 通常您不会有未对齐的数据，所以这应该不是问题？
我知道读取不会是原子的，但它仍然是快照，这意味着值应该是正确的，确定吗？即使您有 2 个 CPU 并且它们的缓存正在同步，我认为 LOCK 不会在确保读取 var 之前的值是最新的方面发挥任何作用......还是会这样？
@Paul R：如果两个线程同时在自己的 CPU 下运行并访问某个内存地址，则情况并非如此。在这种情况下，需要缓存同步。一些指令如“LOCK CMPXCHG”会自动执行此操作。像 MOV 这样的指令需要第一个内存栅栏指令来同步缓存内存。检查：英特尔® 64 和 IA-32 架构软件开发人员手册。我已在我的答案中添加了链接。
@GJ.: mov 如果地址对齐，则加载/存储是原子的。 x86 有连贯的缓存，所以即使多个 CPU 正在读/写同一个位置，you won't get tearing unless the value is misaligned.

【解决方案3】：

对于简单的阅读，主要是关于对齐。确保原子读取的最简单方法是始终使用“自然”对齐 - 即对齐至少与项目的大小一样大（例如，32 位项目是 32 位对齐的）。

未对齐的读取不一定是原子的。举个极端的例子，考虑在奇数地址读取一个 32 位值，其中第一个字节在一个高速缓存行中，而其他三个字节在另一个高速缓存行中。在这种情况下，原子读取基本上是不可能的。

由于（至少大多数）处理器使用 64 位宽的内存总线，因此希望以原子方式读取的最大项目是 64 位。

【讨论】：

【解决方案4】：

阅读其他回复很有趣。我认为@GJ 可能正在赚钱。

多年来，32 位读写是原子的，这一直是事实。直到最近几年，真正激进的缓存才不再保证这一点。

我想这就是为什么在我和机器代码之间我更喜欢 C++、Java 或其他一些东西的原因。如今，机器代码过于复杂而无法可靠编写（除非您大量这样做以保持您的技能敏锐）。幸运的是，今天的优化编译器非常好，您很少需要手动优化的汇编器的性能。

【讨论】：

C++ 不会保证内存语义高于 CPU 所做的任何事情，没有 volatile 的 Java 也不会。
C++ 可以保证对原子类型（C++11 的东西）的原子访问，就像 C (C11) 一样。