Kann ein einfacher MOV-Befehl eine Acquire-Release-Semantik auf einer x86-Architektur erreichen?

Acquire-Release-Semantik in der x86-Architektur: Wie MOV dies erreichen kann

Im Bereich der Multithread-Programmierung ist die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Datenkonsistenz von entscheidender Bedeutung . Speicherordnungsmechanismen wie „acq_rel“ (acq_rel) bieten eine Möglichkeit, Ordnungsbeschränkungen für Speicheroperationen durchzusetzen. Ein häufiges Missverständnis ist, dass die acq_rel-Semantik auf x86 komplexe Anweisungen wie LOCK, Fences oder xchg erfordert. Unter bestimmten Umständen kann jedoch die MOV-Anweisung allein ausreichen.

Intels Dokumentation legt nahe, dass x86 Ordnungsprinzipien innerhalb eines einzelnen Kerns durchsetzt. Genauer gesagt:

• Lesevorgänge werden nicht mit anderen Lesevorgängen neu angeordnet.
• Schreibvorgänge werden mit älteren Lesevorgängen nicht neu angeordnet.
• Schreibvorgänge in den Speicher werden nicht mit anderen Schreibvorgängen neu angeordnet ( mit einigen Ausnahmen auf demselben Kern).

In einem Multi-Core-System jedoch Das Bild wird komplexer. Die Ordnungsprinzipien gelten weiterhin für einzelne Prozessoren, aber Schreibvorgänge von verschiedenen Prozessoren können im Verhältnis zueinander neu angeordnet werden.

Das x86-Speichermodell verstehen

Der Schlüssel zum Verständnis Wie MOV allein acq_rel auf x86 erreichen kann, liegt im zugrunde liegenden Speichermodell. Trotz der Möglichkeit einer Neuordnung innerhalb eines Kerns geht das Modell davon aus, dass der Zugriff auf den gemeinsam genutzten Speicher Cache-kohärent ist. Dies bedeutet, dass, wenn ein Prozessor einen Wert im gemeinsam genutzten Speicher speichert, alle anderen Prozessoren schließlich den aktualisierten Wert sehen.

Unter dieser Annahme tritt das folgende Phänomen auf:

• Einmal ein Speicher wird global für alle Kerne sichtbar, und zwar sofort und konsistent.
• Kein anderer Kern hätte den Speicher beobachten können, bevor er global wurde sichtbar.

Dieses Verhalten ahmt die acq_rel-Semantik nach, die erfordert, dass ein Freigabe- (Speicher-)Vorgang die geänderten Daten für alle anderen Threads sichtbar macht, bevor ein nachfolgender Erfassungs- (Lade-)Vorgang erfolgt.

MOV-Anweisung und Acq_rel

Im Fall von MOV führt es sowohl einen Lade- als auch einen Speichervorgang durch eine Anweisung. Aufgrund des zuvor beschriebenen Speichermodells fungiert die Speicherkomponente von MOV jedoch als Freigabevorgang, während die Ladekomponente als Erfassungsvorgang fungiert.

Dies bedeutet, dass ein Thread mithilfe von MOV einen Wert in den Speicher schreibt , wird bei allen nachfolgenden Ladevorgängen durch andere Threads garantiert der aktualisierte Wert angezeigt. Darüber hinaus können keine anderen Ladevorgänge von anderen Threads so angeordnet werden, dass sie vor dem MOV-Ladevorgang durch den freigebenden Thread erfolgen.

Auswirkungen auf die Multithread-Programmierung

Dieses Verständnis, wie MOV acq_rel auf x86 erreicht, hat erhebliche Auswirkungen auf die Multithread-Programmierung. Entwickler können MOV verwenden, um atomare Variablen und andere Synchronisierungsprimitive zu implementieren und so eine ordnungsgemäße Datenkonsistenz ohne den Aufwand komplexer Anweisungen wie Zäune oder Sperren sicherzustellen.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass MOV allein keine sequentielle Konsistenz erzwingen kann. Dafür ist eine vollständige Speicherbarriere erforderlich, um jegliche Neuordnung über Prozessorkerne hinweg zu verhindern.

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