operating-system - 什么是原子交换（寄存器和内存位置之间）指令？

Question

我正在研究操作系统，突然对原子交换（寄存器和内存位置之间）指令是什么感到好奇。以及如何使用它来实现锁？

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Answer 1

我不确定您所说的原子交换是什么意思，但也许您的意思是比较和交换指令。

1. 比较和交换指令检查给定值的内存位置，如果该内存位置中的值等于给定值，则它将内存位置设置为新值。这是“原子地”完成的，这意味着当这条指令执行时，系统中没有其他东西可以执行（让我们保持这种方式），或者这条指令的执行不能被抢占。这个代码看起来像这样 -

function cas(p : pointer to int, old : int, new : int) returns bool {
    if *p ≠ old {
        return false
    }
    *p ← new
    return true
}

为什么从锁定的角度来看这很重要？假设你有一个互斥“锁”并且两个线程想要访问锁，每个线程都需要检查互斥值是否为 1，如果为 1，则线程必须将其设置为 0。如果线程 1 和线程 2 都尝试同时执行此操作，然后对于指令不是原子的情况，线程 1 可能会将值视为 1。线程 1 会尝试将值设置为 0，但在到达该语句之前，它会被抢占，线程 2 然后将值设置为 0，然后线程 1 再次设置它。然后，两个线程都可以获取锁，认为它们是唯一获得锁的线程，这确实是不正确的行为。

但是，如果比较和交换是原子的，则意味着如果一个线程在上面描述的 cas 函数内，则在完成该函数的完整执行或保证执行在 1 个周期内完成之前，没有其他线程将执行。因此线程 1 会将内存位置的值更新为 0，然后线程 2 将返回 false。