处理器(CPU)是如何实现原子性操作的？总线锁与缓存锁

墨蓝 2023-03-06 05:52 8阅读 0赞

## 处理器如何实现原子操作 ##

（1）使用总线锁保证原子性  
第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作（i++就是经典的读改写操作），那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致。举个例子，如果i=1，我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2，如图所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  原因可能是多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加1操作，然后分别写入  
    系统内存中。那么，想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享  
    变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。
 *  **处理器使用总线锁就是来解决这个问题的**。（感觉和重量级锁很相似）所谓**总线锁就是** **使用处理器提供的一个LOCK＃信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住**，那么**该处理器可以独占共享内存**。

（2）使用缓存锁保证原子性第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。

*  频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium 6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。
 *  所谓“**缓存锁定**”是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，**处理器不在总线上声LOCK＃信号**，而是 **修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓行的数据时，会使缓存行无效**，在如上图所示的例子中，**当CPU1修改缓存行中的i时使用了缓存锁定，那么\*\*\*\*CPU2就不能同时缓存i的缓存行。**

**但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。**

**第一种情况是**：当**操作的数据不能被缓存在处理器内部**，或操作的数据跨多个缓存行（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。  
**第二种情况是**：有些**处理器不支持缓存锁定**。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的  
内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定

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