parallel-processing - x86 中 "PAUSE"指令的用途是什么？

Question

我正在尝试创建一个自旋锁的愚蠢版本。浏览网页时，我在 x86 中发现了一条名为“PAUSE”的汇编指令，该指令用于向处理器提示自旋锁当前正在该 CPU 上运行。英特尔手册和其他可用信息指出

The processor uses this hint to avoid the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops. The documentation also mentions that "wait(some delay)" is the pseudo implementation of the instruction.

上一段的最后一行很直观。如果我抢锁不成功，我必须等待一段时间才能再次抢锁。

但是，在自旋锁的情况下，内存顺序违规是什么意思？“内存顺序违规”是否意味着自旋锁后指令的推测性加载/存储不正确？

之前已经在堆栈溢出上提出了自旋锁问题，但内存顺序违规问题仍未得到解答(至少就我而言)。

Answer 1

想象一下，处理器如何执行典型的自旋等待循环:

1 Spin_Lock:
2    CMP lockvar, 0   ; Check if lock is free
3    JE Get_Lock
4    JMP Spin_Lock
5 Get_Lock:

经过几次迭代后，分支预测器将预测永远不会采用条件分支 (3)，并且管道将填充 CMP 指令 (2)。这种情况一直持续到最后另一个处理器向 lockvar 写入零。此时，我们的管道充满了推测性(即尚未提交)CMP 指令，其中一些指令已经读取了 lockvar 并向以下条件分支 (3)(也是推测性的)报告了(不正确的)非零结果。这是发生内存顺序冲突的时候。每当处理器“看到”外部写入(来自另一个处理器的写入)时，它就会在其管道中搜索推测访问同一内存位置但尚未提交的指令。如果发现任何此类指令，则处理器的推测状态无效，并通过管道刷新来删除。

不幸的是，每次处理器等待自旋锁时，这种情况(很可能)都会重复，并使这些锁比应有的速度慢得多。

输入暂停指令:

1 Spin_Lock:
2    CMP lockvar, 0   ; Check if lock is free
3    JE Get_Lock
4    PAUSE            ; Wait for memory pipeline to become empty
5    JMP Spin_Lock
6 Get_Lock:

PAUSE 指令将对内存读取“去流水线”，以便流水线不会像第一个示例中那样充满推测性 CMP (2) 指令。 (即，它可能会阻塞管道，直到所有较旧的内存指令都提交为止。)由于 CMP 指令 (2) 顺序执行，因此在 CMP 指令 (2) 读取之后不太可能发生外部写入(即时间窗口短得多) lockvar 但在 CMP 提交之前。

当然，“去管道化”也会在自旋锁中浪费更少的能量，并且在超线程的情况下，它不会浪费其他线程可以更好地使用的资源。另一方面，在每个循环退出之前仍然有一个分支错误预测等待发生。英特尔的文档并未建议 PAUSE 消除管道刷新，但谁知道......