multithreading - CPU 什么时候可以忽略 LOCK 前缀并使用缓存一致性？

Question

我原本以为 MESI 等缓存一致性协议(protocol)可以提供伪原子性 但是 仅限个人 内存加载/存储 指示。如果我正在执行指令的获取、修改、写入组合，MESI 单独将无法在第一条指令到最后一条指令之间强制执行原子性。

但是，英特尔引用手册第 3a 卷的第 8 节说:

8.1.4 Effects of a LOCK Operation on Internal Processor Caches

For the P6 and more recent processor families, if the area of memory being locked during a LOCK operation is cached in the processor that is performing the LOCK operation as write-back memory and is completely contained in a cache line, the processor may not assert the LOCK# signal on the bus. Instead, it will modify the memory location internally and allow it’s cache coherency mechanism to ensure that the operation is carried out atomically. This operation is called “cache locking.” The cache coherency mechanism automatically prevents two or more processors that have cached the same area of memory from simultaneously modifying data in that area.

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3a-part-1-manual.pdf

这似乎与我的理解相矛盾，因为它暗示不需要使用 LOCK 指令，因为可以使用缓存一致性？

Answer 1

锁定作为一个概念与实际的总线#lock 信号之间存在差异——后者是实现第一个的手段之一。缓存锁定是另一种更简单、更高效的方法。

MESI 协议(protocol)保证如果一条线路由某个核心独占(无论是否修改)，其他人都没有它。在这种情况下，您可以通过在缓存中添加简单的标志来自动执行多个操作，该标志会阻止外部窥探，直到操作完成。这将具有与锁定概念所规定的相同的效果，因为没有其他人可以更改甚至观察中间值。

在更复杂的情况下，该行不由单个缓存保存(例如，它可能在多个缓存之间共享，或者访问可能在两个缓存行之间拆分并且只有一个在您的缓存中 - 场景列表通常是实现CPU 制造商可能未披露具体信息)——在这种情况下，您可能不得不求助于像总线锁这样的“更重”的大炮，这通常可以保证没有人可以在共享总线上做任何事情。显然，这会对性能产生巨大影响，因此这可能仅在您别无选择时使用。在大多数情况下，一个简单的缓存级锁就足够了。请注意，像 Intel TSX 这样的新方案似乎以类似的方式工作，当您在缓存内工作时提供优化。

顺便说一句-您对单个指令的伪原子性的假设也是错误的-如果您提到单个内存操作(加载或存储)，那将是正确的，因为一条指令可能包含多个( inc [addr] 例如不会在没有锁的情况下是原子的)。您的报价中也出现的另一个限制是访问需要包含在缓存行中-即使在单个加载或存储中，拆分行也不能保证原子性(因为它们通常被实现为 2 个内存操作，这些操作后来被合并)。