原子操作(1) - 用匯編實現(xiàn)原子操作

“最輕量級的鎖”,通常也叫”原子操作”,之所以加引號是因為他們在匯編級別并不是原子操作,是用多條指令完成的,這些操作大多都是利用CPU支持的匯編指令.在某些構(gòu)架過時的CPU體系結(jié)構(gòu)上,它們應(yīng)該是用比較重量級的線程內(nèi)鎖實現(xiàn)的吧(我的猜測).

最常見的原子操作有Compare and Exchange,Self Increase/Decrease等等

80486 CPU相關(guān)指令：

LOCK:這是一個指令前綴，在所對應(yīng)的指令操作期間使此指令的目標(biāo)操作數(shù)指定的存儲區(qū)域鎖定，以得到保護。

XADD:先交換兩個操作數(shù)的值，再進行算術(shù)加法操作。多處理器安全，在80486及以上CPU中支持。

CMPXCHG:比較交換指令，第一操作數(shù)先和AL/AX/EAX比較，如果相等ZF置1，第二操作數(shù)賦給第一操作數(shù)，否則ZF清0，第一操作數(shù)賦給AL/AX/EAX。多處理器安全，在80486及以上CPU中支持。

XCHG:交換兩個操作數(shù),其中至少有一個是寄存器尋址.其他寄存器和標(biāo)志位不受影響.

80486以上都支持這四個操作,因此當(dāng)今幾乎100%CPU都支持這兩個指令,也能由此用標(biāo)準(zhǔn)C和C++寫出一系列幾乎可以跨平臺的”原子操作”函數(shù)和Lock-Free數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法.

64位平臺也有一系列的相關(guān)指令,當(dāng)然他們也有以上提到的指令,其下的64位原子操作函數(shù)應(yīng)該和32位的分開(要問為什么?我現(xiàn)在告訴你恐怕你印象不深,接著看這一系列吧),而道理完全一樣.因此,不存在跨CPU體系結(jié)構(gòu)的問題)

“原子操作”函數(shù):

由以上提供的幾個匯編指令,我們可以做出以下實現(xiàn),這些都是最常用的原語.

比較后交換

long __stdcall CompareExchange(long volatile*Destination,long Exchange,long Comperand)

{

   __asm

   {

      mov     ecx, Destination;

      mov     edx, Exchange;

      mov     eax, Comperand;

      lock cmpxchg [ecx], edx;

   }

}

交換

long __stdcall Exchange(long volatile* Target,long Value)

{

   __asm

   {

      mov      ecx, Target;

      mov      edx, Value;

label:

      lock cmpxchg [ecx], edx;//加

      jnz      short label;

   }

}

自減

long __stdcall Decrement(long volatile* Addend)

{

   __asm

   {

      mov     ecx, Addend;

      mov     eax, 0FFFFFFFFh;//-1

      lock xadd [ecx], eax; //加-1

      dec     eax;

   }

}

自增

long __stdcall Increment(long volatile* Addend)

{

   __asm

   {

      mov      ecx, Addend;

      mov      eax, 1;

      lock xadd [ecx], eax; //加

      inc      eax;

   }

}

相加后交換

long __stdcall ExchangeAdd(long volatile* Addend,long Value)

{

   __asm

   {

      mov      ecx, Addend;

      mov      eax, Value;

      lock xadd [ecx], eax;

   }

}

同時把幾個不跨平臺的地方抽出來用macro表示.

目前模板還沒有得到concept的支持,所以只能用boost.type_traits低級的手動判斷,要求只有32位的整數(shù)類型才能實例化這些函數(shù).

#include

#include

#define CALL_METHOD __stdcall

#define VOLATILE volatile

template<typename T>

T CALL_METHOD compare_exchange32(T VOLATILE*Destination,T exchange32,T Comperand)

{

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

   __asm

   {

      mov     ecx, Destination;

      mov     edx, exchange32;

      mov     eax, Comperand;

      lock cmpxchg [ecx], edx;

   }

}

template<typename T>

T CALL_METHOD exchange32(T VOLATILE* Target,T Value)

{

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

   __asm

   {

      //     mov    ecx, Target;

      //     mov    edx, Value;      

      //label:

      //     lock   cmpxchg [ecx], edx;//加

      //     jnz    short label;

      mov      ecx, Target;

      mov      eax, Value;

      xchg [ecx],eax;

   }

}

template<typename T>

T CALL_METHOD decrement32(T VOLATILE* Addend)

{

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

   __asm

   {

      mov     ecx, Addend;

      mov    eax, 0FFFFFFFFh;//-1

      lock xadd [ecx], eax; //加-1

      dec     eax;

   }

}

template<typename T>

T CALL_METHOD increment32(T VOLATILE* Addend)

{

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

   __asm

   {

      mov      ecx, Addend;

      mov      eax, 1;

      lock xadd [ecx], eax; //加

      inc      eax;

   }

}

template<typename T>

T CALL_METHOD exchange_add32(T VOLATILE* Addend,T Value)

{

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

   __asm

   {

      mov      ecx, Addend;

      mov      eax, Value;

      lock xadd [ecx], eax;

   }

根據(jù)上面的5個函數(shù)就能做出一個原子操作的整數(shù)數(shù)字類,這將是下一節(jié)中,我的最輕量級鎖的基礎(chǔ)和原型,他不依賴于操作系統(tǒng),當(dāng)然,所以你也可以不叫他是鎖,只是一種類似鎖的機制.

一切細節(jié)看源碼中穿插的注釋.

#ifndef __ATOM_VALUE_H__

#define __ATOM_VALUE_H__

#include "atom.hpp"

#include <boost/static_assert.hpp>

#include <boost/type_traits.hpp>

template<typename T>

class atomic_value32

{

   //恩,用boost.type_traits來保證是位的整數(shù)類型

   BOOST_STATIC_ASSERT(sizeof(T) == 4 && boost::is_integral<T>::value);

private:

   volatile T value_;

public:

   atomic_value32(T v = 0)

      :value_(v){}

   atomic_value32(atomic_value32& v){//??? 這里留給大家,我不給出源碼了

   }

   //需要這么一個轉(zhuǎn)型符號,因為大部分時候我們將atomic_value32<T>當(dāng)作一個T使用

   operator T(){return exchange_add32(&value_,0);}

   //賦值

   atomic_value32& operator=(T v){exchange32(&value_, v);return *this;}

   atomic_value32& operator=(atomic_value32& v){exchange32(&value_, v);return *this;}

   //比較并交換,好像沒有什么operator與之對應(yīng),就直接拿出來了

   T compare_exchange(T to_exchange, T to_compare)

   {return compare_exchange32<T>(&value_, to_exchange, to_compare);}

   //只提供前置,后置似乎沒什么必要,我也懶得去實現(xiàn)了:)

   T operator++(){return increment32(&value_);}

   T operator--(){return decrement32(&value_);}

   //千萬不能返回引用,因為線程安全考慮,

   T operator+=(T add){return exchange_add32(&value_,add);}

   T operator+=(atomic_value32& add){return exchange_add32(&value_,add);}

   T operator-=(T add){return exchange_add32(&value_,-add);}

   T operator-=(atomic_value32& add){return exchange_add32(&value_,-add);}

   //6個比較符號

   bool operator==(T rhs){return operator T()==rhs;}

   bool operator==(atomic_value32& rhs){return operator T()==rhs.operator T();}

   bool operator<(T rhs){return operator T()<rhs;}

   bool operator<(atomic_value32& rhs){return operator T()<rhs.operator T();}

   bool operator!=(T rhs){return !this->operator ==(rhs);}

   bool operator!=(atomic_value32& rhs){return !this->operator ==(rhs);}

   bool operator>=(T rhs){return !this->operator <(rhs);}

   bool operator>=(atomic_value32& rhs){return !this->operator <(rhs);}

   bool operator>(T rhs){return ((*this)!=(rhs)) && !((*this)<(rhs));}

   bool operator>(atomic_value32& rhs){return ((*this)!=(rhs)) && !((*this)<(rhs));}

   bool operator<=(T rhs){return !((*this)>(rhs));}

   bool operator<=(atomic_value32& rhs){return !((*this)>(rhs));}

};

#endif//__ATOM_VALUE_H__