Làm thế nào để đảm bảo nguyên tử của các hoạt động đọc/ghi?

Question

C bang # đặc tả trong mục 5.5 mà đọc và viết trên một số loại (cụ thể là bool, char, byte, sbyte, short, ushort, uint, int, float, và tham khảo các loại) có bảo đảm là nguyên tử.

Điều này đã khơi gợi sự quan tâm của tôi. Làm thế nào bạn có thể làm điều đó? Ý tôi là, kinh nghiệm cá nhân của tôi chỉ cho thấy tôi khóa các biến hoặc sử dụng các rào cản nếu tôi muốn đọc và viết để trông nguyên tử; đó sẽ là một kẻ giết người hiệu suất nếu nó phải được thực hiện cho mỗi lần đọc/ghi đơn. Tuy nhiên, C# làm một cái gì đó với một hiệu ứng tương tự.

Có lẽ các ngôn ngữ khác (như Java) làm điều đó. Tôi nghiêm túc không biết. Câu hỏi của tôi không thực sự có ý định ngôn ngữ cụ thể, nó chỉ là tôi biết C# hiện nó.

Tôi hiểu rằng nó có thể phải đối phó với một số hướng dẫn xử lý cụ thể nhất định và có thể không sử dụng được trong C/C++. Tuy nhiên, tôi vẫn muốn biết nó hoạt động như thế nào.

[EDIT] Để nói sự thật, tôi tin rằng việc đọc và ghi có thể không nguyên tử trong một số điều kiện nhất định, như CPU ​​có thể truy cập vị trí bộ nhớ trong khi CPU khác đang viết ở đó. Điều này chỉ xảy ra khi CPU không thể xử lý tất cả đối tượng cùng một lúc, giống như vì nó quá lớn hoặc do bộ nhớ không được căn chỉnh trên ranh giới phù hợp?

Answer 1

Lý do các loại đó đảm bảo nguyên tử là vì chúng đều có kích thước 32 bit hoặc nhỏ hơn. Vì .NET chỉ chạy trên các hệ điều hành 32 và 64 bit, kiến ​​trúc bộ vi xử lý có thể đọc và ghi toàn bộ giá trị trong một thao tác đơn lẻ. Điều này trái ngược với việc nói, một Int64 trên nền tảng 32 bit phải được đọc và viết bằng cách sử dụng hai hoạt động 32 bit.

Tôi không thực sự là một người phần cứng nên tôi xin lỗi nếu thuật ngữ của tôi làm cho tôi có vẻ giống như một bộ phim nhưng đó là ý tưởng cơ bản.

Answer 2

Bạn không thể. Ngay cả khi đi tất cả các con đường xuống ngôn ngữ lắp ráp, bạn phải sử dụng mã khóa đặc biệt LOCK để đảm bảo rằng một lõi hoặc thậm chí quá trình sẽ không đi xung quanh và quét sạch tất cả các công việc khó khăn của bạn.

Answer 3

Khi đọc và viết x86 vẫn là nguyên tử. Nó được hỗ trợ ở cấp độ phần cứng. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là các phép toán như phép cộng và phép nhân là nguyên tử; họ yêu cầu một tải, tính toán, sau đó lưu trữ, có nghĩa là họ có thể can thiệp. Đó là nơi tiền tố khóa xuất hiện.

Bạn đã đề cập đến rào cản khóa và bộ nhớ; họ không có liên quan gì đến việc đọc và viết là nguyên tử. Không có cách nào trên x86 có hoặc không sử dụng các rào cản bộ nhớ mà bạn sẽ thấy một giá trị 32-bit được viết một nửa.

Answer 4

Nó là khá rẻ để thực hiện bảo đảm nguyên tử trên lõi x86 và x64 kể từ khi CLR chỉ hứa hẹn atomicity cho các biến 32-bit hoặc nhỏ hơn. Tất cả những gì được yêu cầu là biến được căn chỉnh chính xác và không nằm trong một đường bộ nhớ cache. Trình biên dịch JIT đảm bảo điều này bằng cách phân bổ các biến cục bộ trên một bù ngăn xếp liên kết 4 byte. Trình quản lý heap GC thực hiện tương tự cho việc phân bổ heap.

Đáng chú ý là bảo đảm CLR không phải là một điều rất tốt. Lời hứa liên kết không đủ tốt để viết mã luôn phù hợp với các mảng tăng gấp đôi. Rất độc đáo được chứng minh trong this thread. Interop với mã máy sử dụng hướng dẫn SIMD cũng rất khó vì lý do này.

Answer 5

Có, bảo đảm C# và Java rằng tải và lưu trữ một số loại nguyên thủy là nguyên tử, như bạn nói. Điều này là rẻ bởi vì các bộ vi xử lý có khả năng chạy .NET hoặc JVM đảm bảo rằng tải và các cửa hàng của các kiểu nguyên thủy phù hợp phù hợp là nguyên tử. Bây giờ, những gì không phải là C# hay Java cũng như bộ vi xử lý mà chúng chạy trên bảo đảm, và đắt tiền, đang phát hành các rào cản bộ nhớ để các biến đó có thể được sử dụng để đồng bộ hóa trong một chương trình đa luồng. Tuy nhiên, trong Java và C# bạn có thể đánh dấu biến của bạn với thuộc tính "dễ bay hơi", trong trường hợp đó trình biên dịch sẽ xử lý các rào cản bộ nhớ thích hợp.