获取信号量必须是原子的。 Pintos 的 sema_down 安全吗？

Question

这段代码来自Pintos源码： https://www.cs.usfca.edu/~benson/cs326/pintos/pintos/src/threads/synch.c

void
sema_down (struct semaphore *sema) 
{
  enum intr_level old_level;

  ASSERT (sema != NULL);
  ASSERT (!intr_context ());

  old_level = intr_disable ();
  while (sema->value == 0) 
    {
      list_push_back (&sema->waiters, &thread_current ()->elem);
      thread_block ();
    }
  sema->value--;
  intr_set_level (old_level);
}

取信号量的事实是sema->value--;。如果它有效，它必须是一个原子操作。我们怎么知道它实际上是原子操作呢？我知道现代 CPU 保证对齐内存操作（对于 word/doubleword/quadword- 它取决于）是原子的。但是，在这里，我不相信为什么它是原子的。

Answer 1

TL:DR：如果你在 UP 系统上禁用中断，只要你不计算使用 DMA 观察内存的系统设备，任何事情都是原子的。

注意操作周围的 intr_disable (); / intr_set_level (old_level);。

modern CPU guarantees that aligned memory operation are atomic

对于多线程观察者，这仅适用于单独的加载或存储，不适用于读取-修改-写入操作。

对于原子性的东西，我们必须考虑我们关心的潜在观察者。重要的是，没有什么可以 观察到 操作已经部分发生。实现这一点的最直接方法是让操作在物理/电气上是瞬时的，并同时影响所有位（例如，并行总线上的加载或存储在时钟周期的边界从未开始到完成，因此它是原子的“免费”，直到并行总线的宽度）。这对于读-修改-写是不可能的，我们能做的最好的就是阻止观察者在加载和存储之间查看。

我在上的回答以不同的方式解释了同一件事，关于原子的含义。

在单处理器 (UP) 系统中，唯一的异步观察者是其他系统设备（例如 DMA）和中断处理程序。如果我们可以排除非 CPU 观察者写入我们的信号量，那么我们关心的只是中断的原子性。

此代码采用简单的方法并禁用中断。这不是必需的（或者至少如果我们用 asm 编写就不是必需的）。

，从不在指令中间。机器的架构状态要么包含内存递减，要么不包含，因为 dec [mem] 要么运行要么不包含。为此，我们实际上不需要 lock dec [mem]。

顺便说一句，这是的用例。我过去常常想知道为什么他们不直接让 lock 隐含在 cmpxchg 中，原因是 UP 系统通常不需要 lock 前缀。

此规则的例外是可以记录部分进度的可中断指令，如 rep movsb 或 vpgather / vpscatter 参见这些不会是原子的。即使唯一的观察者是同一核心上的其他代码也会中断。仅 rep whatever 的单次迭代或聚集或分散的单个元素会发生或不发生。

大多数 SIMD 指令无法记录部分进度，因此例如 vmovdqu ymm0, [rdi] 从其运行所在的核心的 PoV 中要么完全发生要么根本不发生。（但当然不是 gua运行teed 原子 wrt。系统中的其他观察者，如 DMA 或 MMIO，或其他核心。那是重要的时候。）

没有可靠的方法来确保编译器发出 dec [value] 而不是像这样的东西：

mov   eax, [value]
                           ;; interrupt here = bad
dec   eax
                           ;; interrupt here = bad
mov   [value], eax

ISO C11/C++11 不提供请求与信号处理程序/中断相关的原子性的方法，但不提供其他线程。他们确实提供 atomic_signal_fence 作为编译器屏障（相对于 thread_fence 作为屏障 wrt。其他 threads/cores），但屏障不能创建原子性，只能控制顺序 wrt。其他操作。

C11/C++11 volatile sig_atomic_t确实有这个想法，但它只为单独的loads/stores提供原子性，而不是RMW。 It's a typedef for int on x86 Linux. See that question for some quotes from the standard.

在具体实现上，gcc -Wa,-momit-lock-prefix=yes将省略所有锁前缀。 (GAS 2.28 docs) 如果您的代码不包含需要在 MMIO 位置上执行原子 RMW 或使用虚拟机的设备驱动程序硬件访问，这对于单线程代码或单处理器机器是安全的lock add 更快 mfence.

但这在需要在 SMP 机器上运行的多线程程序中不可用，如果线程之间以及线程和信号处理程序之间有一些原子 RMW。

获取信号量必须是原子的。 Pintos 的 sema_down 安全吗？

Taking a semaphore must be atomic. Is Pintos's sema_down safe?

x86

multithreading

atomic

interrupt

pintos