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);
}

采取信号量的事实是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？我知道现代 CPU 保证对齐的内存操作（对于字/双字/四字 - 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：只要您不计算使用 DMA 观察内存的系统设备，如果您在 UP 系统上禁用中断，那么任何事情都是原子的。

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

现代 CPU 保证对齐的内存操作是原子的

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-修改-写操作。

对于原子性的事物，我们必须考虑我们关心哪些潜在的观察者。重要的是，没有任何东西可以观察到部分发生的操作。实现这一目标的最直接方法是使操作在物理/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启动变为完成，因此它是“免费”的原子，直到并行总线的宽度）。这对于读-修改-写来说是不可能的，我们能做的最好的事情就是阻止观察者在负载和存储之间查看。

我对 x86上的原子性的回答以不同的方式解释了同样的事情，关于原子意味着什么。

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 编写就不需要）。

中断是在两条指令之间处理的，永远不会在一条指令的中间。机器的架构状态要么包括内存减量，dec [mem]要么不包括，因为要么运行要么没有。我们实际上不需要lock dec [mem]这个。

顺便说一句，这是cmpxchg没有lock前缀的用例。我总是想知道为什么他们不只是在 中lock隐含cmpxchg，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，例如rep movsb或vpgather/vpscatter 参见在执行过程中中断指令 这些不会是原子的。即使唯一的观察者是同一内核上的其他代码，也会中断。只会rep whatever发生或不发生的一次迭代，或聚集或分散的单个元素。

大多数 SIMD 指令无法记录部分进度，因此例如vmovdqu ymm0, [rdi]，从它运行的核心的 PoV 中完全发生或根本不发生。（但当然不能保证原子性。系统中的其他观察者，如 DMA 或 MMIO，或其他内核。那是正常加载/存储原子性保证很重要的时候。）

没有可靠的方法来确保编译器发出dec [value]而不是这样的：

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

ISO C11/C++11 没有提供一种方法来请求关于信号处理程序/中断的原子性，但不是其他线程。它们确实提供atomic_signal_fence了一个编译器屏障（相对于 thread_fence 作为屏障，其他线程/核心），但屏障不能创建原子性，只能控制顺序。其他操作。

C11/C++11volatile sig_atomic_t确实有这个想法，但它只为单独的加载/存储提供原子性，而不是 RMW。 它是intx86 Linux 上的 typedef 。请参阅该问题以了解标准中的一些引用。

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

但是这在需要在 SMP 机器上运行的多线程程序中是不可用的，如果您在线程之间以及线程和信号处理程序之间有一些原子 RMW。