Làm thế nào để một mutex đảm bảo giá trị của biến là nhất quán giữa các lõi?

Question

Nếu tôi có một int duy nhất mà tôi muốn viết từ một chủ đề và đọc từ một chủ đề khác, tôi cần sử dụng std::atomic, để đảm bảo rằng giá trị của nó là nhất quán trên lõi, bất kể có hướng dẫn đọc hay không viết cho nó là khái niệm nguyên tử. Nếu không, có thể là lõi đọc có giá trị cũ trong bộ nhớ cache của nó và sẽ không thấy giá trị mới. Điều này có ý nghĩa với tôi.

Nếu tôi có một số loại dữ liệu phức tạp không thể đọc/ghi thành nguyên tử, tôi cần phải bảo vệ quyền truy cập vào nó bằng cách sử dụng một số nguyên thủy đồng bộ hóa, chẳng hạn như std::mutex. Điều này sẽ ngăn chặn các đối tượng nhận được vào (hoặc được đọc từ) một trạng thái không phù hợp. Điều này có ý nghĩa với tôi.

Điều gì không có ý nghĩa đối với tôi là cách mutex giúp trợ giúp về vấn đề bộ nhớ đệm mà nguyên tử giải quyết. Họ dường như chỉ tồn tại để ngăn chặn truy cập đồng thời vào một số tài nguyên, nhưng không phải để truyền bá bất kỳ giá trị nào chứa trong tài nguyên đó tới bộ nhớ cache của lõi khác. Có một phần nào đó trong ngữ nghĩa của họ mà tôi đã bỏ lỡ mà giao dịch với điều này?

Answer 1

Câu trả lời đúng cho điều này là các câu thần chú ảo thuật - ví dụ: Nó chỉ hoạt động. Việc thực hiện std :: nguyên tử cho mỗi nền tảng phải làm điều đúng.

Điều đúng là sự kết hợp của 3 phần.

Thứ nhất, trình biên dịch cần biết rằng nó không thể di chuyển hướng dẫn trên các ranh giới [thực tế trong một số trường hợp, nhưng giả sử rằng nó không]. Thứ hai, bộ nhớ cache/bộ nhớ phụ cần phải biết - điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các rào cản bộ nhớ, mặc dù x86/x64 thường có bộ nhớ mạnh như vậy đảm bảo rằng điều này là không cần thiết trong phần lớn các trường hợp (đó là một lớn xấu hổ như là tốt đẹp của nó cho mã sai để thực sự đi sai).

Cuối cùng CPU cần biết nó không thể sắp xếp lại hướng dẫn. CPU hiện đại đang tích cực mạnh mẽ trong việc sắp xếp lại các hoạt động và đảm bảo trong trường hợp chỉ có một luồng rằng điều này là không đáng kể. Họ có thể cần thêm gợi ý rằng điều này không thể xảy ra ở những nơi nhất định.

Đối với hầu hết các CPU phần 2 và 3 đi xuống cùng một điều - một rào cản bộ nhớ ngụ ý cả hai.Phần 1 là hoàn toàn bên trong trình biên dịch, và là xuống để các nhà văn trình biên dịch để có được quyền.

Xem Herb Sutters nói 'Atomic Weapons' để biết thêm nhiều thông tin thú vị hơn.

Answer 2

Tính nhất quán giữa các lõi được đảm bảo bằng memory barriers (cũng ngăn các hướng dẫn sắp xếp lại). Khi bạn sử dụng std::atomic, bạn không chỉ truy cập dữ liệu một cách nguyên tử, mà trình biên dịch (và thư viện) cũng chèn các rào cản bộ nhớ có liên quan.

Mutexes hoạt động theo cùng một cách: triển khai mutex (ví dụ: pthreads hoặc WinAPI hoặc những gì không) bên trong cũng chèn các rào cản bộ nhớ.

Answer 3

Hầu hết các bộ xử lý đa lõi hiện đại (bao gồm x86 và x64) là cache coherent. Nếu hai lõi giữ cùng một vị trí bộ nhớ trong bộ nhớ cache và một trong số chúng cập nhật giá trị, thay đổi sẽ tự động được truyền sang bộ nhớ cache của lõi khác. Nó không hiệu quả (ghi vào cùng một dòng bộ nhớ cache cùng một lúc từ hai lõi thực sự chậm) nhưng không có sự kết hợp bộ nhớ cache thì sẽ rất khó để viết phần mềm đa luồng.

Và giống như syam cho biết, các rào cản bộ nhớ cũng được yêu cầu. Chúng ngăn cản trình biên dịch hoặc bộ xử lý truy cập lại bộ nhớ truy cập, và cũng buộc ghi vào bộ nhớ (hoặc ít nhất là vào bộ nhớ đệm), khi ví dụ một biến được giữ trong sổ đăng ký vì các trình biên dịch của trình biên dịch.