c++ - CPU 松弛指令和 C++11 原语

Question

我注意到许多无锁算法使用特定于操作系统的原语实现，例如描述的自旋锁here (使用 Linux 特定的原子原语)经常使用“cpu 放松”指令。使用 GCC，可以通过以下方式实现:

asm volatile("pause\n": : :"memory");

具体来说，该指令常用于while循环自旋锁的主体中，同时等待变量设置为某个值。

C++11 似乎没有提供任何可移植的“cpu_relax”类型指令。这有什么原因吗？ “暂停”语句真的有什么用处吗？

编辑:

另外，我想问:为什么 C++11 标准委员会不决定包含一个通用的 std::cpu_relax() 或其他什么？便携性是不是太难保证了？

Answer 1

PAUSE指令是特定于 x86 的。它的唯一用途是在自旋锁等待循环中，它:

Improves the performance of spin-wait loops. When executing a “spin-wait loop,” processors will suffer a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop.

还有:

Inserting a pause instruction in a spinwait loop greatly reduces the processor’s power consumption.

将此指令放在自旋锁循环中的位置也是 x86_64 特定的。我不能代表 C++11 标准人员，但我认为他们有理由得出结论，这种魔法的正确位置是在相关库中......以及实现原子、互斥锁等所需的所有其他魔法.

注意: PAUSE 不释放处理器以允许另一个线程运行。它不是“低级”pthread_yield() . (尽管在 Intel 超线程内核上，它确实可以防止自旋锁线程占用内核。)PAUSE 的基本功能似乎是关闭通常的指令执行优化和流水线，这会减慢线程(有点)，但是发现锁很忙，这降低了锁变量被触摸的速率，因此缓存系统是当锁的当前所有者试图继续实际工作时，不会被服务员敲打。

请注意，用于“手动滚动”自旋锁、互斥锁等的原语不是特定于操作系统的，而是特定于处理器的。

我不确定我是否会将“手卷”自旋锁描述为“无锁”!

FWIW，英特尔对自旋锁的建议(“英特尔® 64 和 IA-32 架构优化引用手册”)是:

  Spin_Lock:
    CMP   lockvar, 0     // Check if lock is free.
    JE    Get_lock
    PAUSE                // Short delay.
    JMP   Spin_Lock
  Get_Lock:
    MOV   EAX, 1
    XCHG  EAX, lockvar  // Try to get lock.
    CMP   EAX, 0        // Test if successful.
    JNE   Spin_Lock

很明显，可以使用 std::atomic_flag 编写一些可以编译的东西。 ... 或使用 pthread_spin_lock() ，在我的机器上是:

  pthread_spin_lock:
    lock decl (%rdi)
    jne    wait
    xor    %eax, %eax
    ret
  wait:
    pause
    cmpl   $0, (%rdi)
    jg     pthread_spin_lock
    jmp    wait

这很难出错，真的。