ARM系列--同步原语

在具有多个执行线程的系统中，某些资源可能不能同时被访问或者修改。这些资源可以是外围设备或内存缓冲区和数据结构，例如打印机不会在一个时刻响应多个访问。这就需要一些同步机制去处理这些资源的同时控制（concurrency control）问题。需要注意的是，这里说的“同步”，不是同时的意思，而是协同的意思。某个资源使用受限的情况下，你用完了我用，大家协同工作。

可以通过“锁（lock）”机制来实现同步，对这些不能同时被访问的共享资源提供一个锁。线程在访问这些资源之前必须先获得锁权限。这时，如果其它线程也想申请锁，会发现锁被占用，只能等待锁被释放。拥有锁的线程在访问结束后，必须释放锁，以便其它的线程可以继续访问。

可以使用内存中的变量来实现简单的锁，该变量可以包含两个值（状态）：LOCKED和UNLOCKED。进程如果发现这个锁是UNLOCKED状态，即可以修改为LOCKED，并拥有该资源的访问权限。

图中的整个过程分为三个步骤：

读内存中的变量，并做状态比较；

修改寄存器值；

写内存变量。

在具有多个核或线程的系统中，此方法容易受到另一个线程的攻击，即在变量值的第一次读取和回写之间修改内存中的值。

这个问题可以用软件解决，也可以用额外的硬件功能来解决。一种解决方案可以是使“读-比较-修改-写（read-compare-modify-write）”的原子操作指令。ARM架构的早期版本使用SWP指令实现类似的功能。

ARMv8-A使用下面要介绍的，一种特殊类型的加载和存储指令来检测内存中的值自上次读取以来是否发生了变化。ARMv8-A 64位指令集提供了两条独占指令LDXR（Load Exclusive）和STXR（Store Exclusive）。

当使用LDXR指令读取地址时，会将其标记为独占访问。如果使用STXR指令向标记为独占的地址写入，则会清除独占状态。尝试使用STXR指令向未标记为独占的地址写入将会失败。地址的独占状态由称为独占监视器（Exclusive Monitor）的硬件维护。

使用独占load/store后的锁实现：

锁值的更新不能保证是原子的，但现在可以检测到初始读取和更新之间的任何更改。如果独占存储失败，软件可以再次尝试获取锁。

前面提到过，需要对标记为独占的地址进行监控。独占监视器可以是一个简单的状态机，其状态可以是开放的（open）和独占的（exclusive）。ARM架构定义了两种不同的状态机：本地独占监视器（Local Exclusive Monitor）和全局独占监视器（Global Exclusive Monitor）。

根据被访问地址的可共享性属性，检查本地监视器或全局监视器的独占访问。

对于Non-shareable地址的独占访问检查仅在本地独监视器。

对shareable地址的独占访问检查在本地监视器或全局监视器。

每个处理器核都有一个与其关联的本地监视器。本地监视器可以构造为保存特定地址的独占状态，也可以构造为不保存该地址。本地监视器作为处理器的一部分实现。

全局监视器在多个处理器核之间共享。与本地监视器一样，它们只需要监视一个地址，如果监视器可以标记多个地址，则每个地址都有自己的状态机。

ARM体系结构要求以下内存类型能够与全局监视器一起工作：

如果程序无法获得锁，会不断尝试申请锁。但是这样会浪费处理器的资源，并且消耗不必要的功耗。有几种方式可以改善这个问题。对于在释放锁之前等待时间相对较长的情况，锁代码可以返回给操作系统调度程序，这允许在释放锁之前调度其它线程。

对于锁可能快速被释放的情况，ARM架构有一种机制，即允许处理器暂停执行，进入低功耗模式，等待锁被释放。ARM提供WFE（Wait For Event）指令，如果处理器申请锁失败，程序可以执行WFE进入等待。以前的做法是，负责释放锁的代码中会执行SEV（Send Event）指令，通过发送EVENT唤醒正在等待锁资源的处理器核。现在ARMv8-A架构中，清除全局监视器会自动向所有连接的处理器核发送EVENT唤醒。

审核编辑 ：李倩