c++ - 原子增量正在刷新其他缓存行(提供的代码和结果)？

Question

设置:Intel Ivy Bridge Core i7，在 64 位模式下编译，MSVC(2012) 和 Win 7 64 位。

我想了解原子增量是否会导致缓存未命中。

我设置了一个测试，其中一个原子变量和另一个变量在同一个缓存行中，而不在同一个缓存行中，然后比较缓存未命中。代码和结果如下。

结果

不同的缓存行:

• 原子增量，无 L1 缓存未命中
• d.a 的两个增量都遭受了 40-50% 的 L1 缓存未命中。

相同的缓存行

• 递增 d.a 没有缓存未命中
• 递增原子遇到 100% L1 缓存未命中。

有人可以解释一下吗？!我期望当 atomic 与 d.a 位于同一缓存行时，d.a 将遭受 100% 缓存未命中，而当它们位于不同的缓存行时 d.a 不会受到影响。

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <vector>

//Structure to ensure not in same cache line
__declspec(align(64)) struct S{
  volatile double a,b,d,c,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t;
  volatile std::atomic<short> atom;
};

//Structure to ensure same cache line
/*__declspec(align(64)) struct S{
   volatile std::atomic<short> atom;
   volatile short a;
};*/


int main(){

    volatile S d;

    for(long long i=0; i<1000000000; i++){
        d.a++;
        d.atom++;
        d.a++;
    }
}

更新这里是一些汇编:

    /* _Atomic_fetch_add_2, _Atomic_fetch_sub_2 */
inline _Uint2_t _Fetch_add_seq_cst_2(volatile _Uint2_t *_Tgt, _Uint2_t _Value)
    {   /* add _Value to *_Tgt atomically with
 mov         word ptr [_Tgt],dx  
 mov         qword ptr [rsp+8],rcx  
 push        rdi  
            sequentially consistent memory order */

    return (_INTRIN_SEQ_CST(_InterlockedExchangeAdd16)((volatile short *)_Tgt, _Value));
 movzx       eax,word ptr [_Value]  
 mov         rcx,qword ptr [_Tgt]  
 lock xadd   word ptr [rcx],ax  
    }
 pop         rdi  

Answer 1

看这个序列:

for(long long i=0; i<1000000000; i++){
    d.a++;
    d.atom++;
    d.a++;
}

我们可以(大致)将其重写为:

for(long long i=0; i<1000000000 / 4; i+=4){
    d.a++;
    d.atom++;
    d.a++;
    d.a++;
    d.atom++;
    d.a++;
    d.a++;
    d.atom++;
    d.a++;
    d.a++;
    d.atom++;
    d.a++;
}

我可以继续进一步扩展循环，但很明显在 d.atom++ 之后有两个 d.a++ 连续出现。

换句话说，根据循环末尾的 d.a++ 为d.a++ 用于循环的下一次迭代。任何与此的差异都是测量错误(我认为缓存未命中是根据统计数据测量的，而不是精确行上的精确步骤)。

在 d.a 和 d.atom 位于不同缓存行的情况下，显然 d.atom++ 获取了该特定地址上的所有缓存未命中，解释了这种情况下的 100% 数字.

我不是 100% 确定锁定操作的定义(“锁定操作”= x86 领域的原子)需要缓存刷新，但它肯定需要“独占访问”，这意味着所有其他 CPU( cores) 将需要被告知“您现在必须从缓存中清除此数据的任何拷贝”。从您的测试来看，至少在这种处理器型号上，这相当于“刷新该行的所有缓存”，包括当前保存数据的缓存。