互斥锁如何确保变量的值在内核之间保持一致？

How does a mutex ensure a variable's value is consistent across cores?

本文关键字：内核之间保持一致变量何确保确保更新时间：2023-10-16

如果我有一个int，我想从一个线程写入并从另一个线程读取，我需要使用std::atomic，以确保其值在核心之间是一致的，无论读取和写入它的指令是否在概念上是原子的。如果不这样做，则可能是读取核心在其缓存中有一个旧值，并且不会看到新值。这对我来说很有意义。

如果我有一些不能自动读写的复杂数据类型，我需要使用一些同步原语来保护对它的访问，比如std::mutex。这将防止对象进入(或被读取)不一致的状态。这对我来说很有意义。

对我来说没有意义的是互斥锁如何帮助解决原子解决的缓存问题。它们的存在似乎仅仅是为了防止对某些资源的并发访问，而不是为了将该资源中包含的任何值传播到其他核心的缓存。它们的语义中是否有我遗漏的处理这个问题的部分?

正确的答案是魔法小精灵-例如，它只是工作。每个平台的std::atomic的实现必须做正确的事情。

正确的东西是三部分的组合。

首先，编译器需要知道它不能跨边界移动指令[事实上，在某些情况下它可以，但假设它不会]。

其次，缓存/内存子系统需要知道——这通常是使用内存屏障完成的，尽管x86/x64通常有如此强大的内存保证，在绝大多数情况下这是不必要的(这是一个很大的遗憾，因为错误的代码实际上是错误的)。

最后，CPU需要知道它不能重新排序指令。现代cpu在重新排序操作方面非常积极，并确保在单线程情况下这是不明显的。他们可能需要更多的提示，这在某些地方不会发生。

对于大多数cpu来说，第2部分和第3部分归结为同一件事——内存屏障意味着两者。第1部分完全在编译器内部，由编译器编写者来完成。

参见Herb suters的演讲"Atomic Weapons"，了解更多有趣的信息。

内核间的一致性由内存屏障保证(这也可以防止指令重新排序)。当您使用std::atomic时，不仅可以自动访问数据，而且编译器(和库)还可以插入相关的内存屏障。

互斥锁的工作方式相同:互斥锁实现(例如:

大多数现代多核处理器(包括x86和x64)都是缓存一致的。如果两个核心在缓存中持有相同的内存位置，其中一个更新了该值，则更改会自动传播到其他核心的缓存。它的效率很低(同时从两个内核写入同一条缓存线非常慢)，但是没有缓存一致性，编写多线程软件将非常困难。

就像syam说的，内存屏障也是必需的。它们防止编译器或处理器重新排序内存访问，并且还强制写入内存(或至少写入缓存)，例如，当由于编译器优化而将变量保存在寄存器中时。