CPU的同步机制.doc

同步机制漫谈 张银奎 yinkui.zhang@ 更快是计算机世界的一个永恒主题。要做到更快有两个方向：一是提高串行执行的速度，二是并行计算（Parallel Computing）。并行计算又可分为同一CPU内部多个流水线间的并行、同一个系统内多个CPU间的并行、和同一个网络中多个计算机系统间的并行。 当并行运行的多个任务彼此无关，互不依赖时，整个系统的性能是最高的。但在现实的并行计算中，这是不可能的。至少同一组内的多个任务之间是存在依赖关系的，它们需要交流信息，报告彼此的计算结果；调整进度，确保各个任务都有条不紊的进行；协调资源，确保共享数据的一致性和安全性和最终结果的正确性。这样便产生了并行计算中的一个基本问题，那就是同步（Synchronization）。并行计算的特征决定了同步是它的一个必然问题。 为了易于理解，我们看一个从银行账户中存款和提款的简单例子，清单1给出的是账户类CAccount的Withdraw和Deposit方法的C++代码。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 BOOL CAccount::Withdraw(double dblNumber) { BOOL bRet=TRUE; if(GetBalance()=dblNumber) { // Send out money now, we use sleep to simulate Sleep(rand()); m_dblBalance-=dblNumber; } else { bRet = FALSE; } Log(TASK_WITHDRAW,dblNumber,bRet); return bRet; } void CAccount::Deposit(double dblNumber) { m_dblBalance+=dblNumber; Log(TASK_DEPOSIT,dblNumber,TRUE); } 以上方法很容易理解，参数dblNumber是要支出或存入的金额，第4行检查帐户余额是否足够本次提取，第7行执行支付操作，我们调用Sleep函数延迟一段时间来模拟这个操作，第8行修改账户余额。 图1是使用以上类的TaskSync程序的界面和一次执行记录。点击Deposit和Withdraw按钮会触发创建新的线程来调用CAccount类的Deposit和Withdraw 方法。编辑框中的数字既是存入和支出的金额，又是要创建的线程数，因为我们让每个线程都固定的存入或取出1元钱。 在编辑框中各输入10后，随机的反复点击Deposit和Withdraw按钮，持续一段时间后，我们会发现余额变成了负数。 图1 TaskSync程序 观察清单1中的代码，只有在确保余额不小于参数dblNumber时（第4行）才会执行取款动作，然后递减余额（m_dblBalance）。也就是说这个账户是不应该出现负数余额的（不可透支）。那么，是什么原因导致余额变为负数呢？以下是几种猜想： 在某个（些）线程执行取款动作的过程中（第7行），其它线程又修改了余额值。尽管第4行作判断时账户中还有足够的余额，但是在执行递减操作时，其它线程（提款机）可能已经把余额递减为0了，于是再次递减便出现了负数。 在某个（些）线程更新m_dblBalance变量时，也就是执行递减操作（第8行）时，其它线程又修改了它的值。清单2列出了m_dblBalance-=dblNumber语句所对应的汇编代码。可见尽管C++是一条语句，但是编译出的汇编语句还是有很多条的。第1行（清单2）是将this指针存入EAX寄存器，第2行是将m_dblBalance（this+8）从内存加载到FPU（符点处理单元）寄存器栈中，第3行是执行减法运算，ebp+8指向的是参数dblNumber，第4行是将this指针存入ECX寄存器，第5行是将计算结果存回内存中的m_dblBalance成员变量。因为第3行的减法计算是对加载在CPU寄存器中的值做减法，第5行再将这个值存回内存，那么如果在某个线程执行2、3条指令的间隙，其它线程修改了m_dblBalance，那么这个线程使用的仍然是旧的数据，而且第5行会将错误的结果写入到内存中。 在32位x86系统中，m_dblBalance变量在内存中的长度是8个字节（QWORD）。这意味着存取这个变量时需要读写8个字节。如果，两个线程恰好都要读写这8个字节，那么有可能某个线程读到的内容是另一个线程写了一半的数据，或者某个线程写了8个字节的前半部分，另一个线程写了后半部分。 清单2 m_dblBalance-=dblNumber语句所对应的汇编代码 1 2 3 4 5 00