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MIPS中LL/SC指令介绍

2011年12月14日 sigma 1 条评论 18,517 views

注:本文主要参考了IBM的《Linux 的 Spinlock 在 MIPS 多核处理器中的设计与实现》一文,需要更详细的关于spinlock的实现可以看前述文章。

在多线程程序中,为了实现对共享变量的互斥访问,一般都会用spinlock实现,而spinlock需要一个TestAndSet的原子操作。而这种原子操作是需要专门的硬件支持才能完成的,在MIPS中,是通过特殊的Load,Store操作LL(Load Linked,链接加载)以及SC(Store Conditional,条件存储)完成的。

LL 指令的功能是从内存中读取一个字,以实现接下来的 RMW(Read-Modify-Write) 操作;SC 指令的功能是向内存中写入一个字,以完成前面的 RMW 操作。LL/SC 指令的独特之处在于,它们不是一个简单的内存读取/写入的函数,当使用 LL 指令从内存中读取一个字之后,比如 LL d, off(b),处理器会记住 LL 指令的这次操作(会在 CPU 的寄存器中设置一个不可见的 bit 位),同时 LL 指令读取的地址 off(b) 也会保存在处理器的寄存器中。接下来的 SC 指令,比如 SC t, off(b),会检查上次 LL 指令执行后的 RMW 操作是否是原子操作(即不存在其它对这个地址的操作),如果是原子操作,则 t 的值将会被更新至内存中,同时 t 的值也会变为1,表示操作成功;反之,如果 RMW 的操作不是原子操作(即存在其它对这个地址的访问冲突),则 t 的值不会被更新至内存中,且 t 的值也会变为0,表示操作失败。

SC 指令执行失败的原因有两种:

  • 在 LL/SC 操作序列的过程中,发生了一个异常(或中断),这些异常(或中断)可能会打乱 RMW 操作的原子性。
  • 在多核处理器中,一个核在进行 RMW 操作时,别的核试图对同样的地址也进行操作,这会导致 SC 指令执行的失败。

在IBM的那篇文章中,并没有说明SC是如何实现RMW是否有冲突的操作的。在一般实现中,处理器有两个专门的域给LL和SC指令,即上文中的“不可见的bit位”以及保存ll操作地址的“寄存器”。再LL之后,处理器会监测各种事件,当发生异常或者有别的处理器对该地址发了invalid请求时,会将不可见的bit位重置,从而导致后面的SC失败。

由于这样的bit位只有一位,存ll的寄存器也只有一个,因此,LL/SC无法实现嵌套,也即无法实现嵌套锁,这是程序员使用LL/SC所需要注意的。

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