同步在多處理器系統

Question

據我所知，同步可以在單核處理器使用旗語輕鬆完成。但是，如果我們有多核心，如果多個進程想要在相同的時刻進入臨界區，那麼它們全部進入臨界區還是隻有一個勝出？贏家流程贏得了什麼標準？

Answer 1

信號量只是在一個系統中通過線程進行信號傳遞的方式之一。您可以在一個或多個核心CPU中使用不影響其使用情況的信號量。

現在讓我們回到你的問題。如果你有關鍵部分，並且多個線程想要進入該區域，他們將全部進入該區域。您需要了解主線程（例如）或其他可以啓動它們的線程，它們之間會有一定的時間間隔（幾個ns周圍的時間空間非常小）。 因此，這就是爲什麼我們使用信號化，因爲我們不想要「勝利者」，而另一方面，在幾乎所有情況下，線程都可以在該關鍵部分進行不必要的更改。

在單核系統只能實現的，因爲不同的胎面用剛剛併發進程調度（假的平行度，經由的TaskScheduler）必須通過分配的時隙共用芯。

Answer 2

當兩個內核試圖在同一時間進入臨界區，它們都嘗試寫入信號量內存的同時，使用鎖定讀 - 修改 - 寫操作。爲了使核心完成寫入，緩存必須獨佔訪問包含信號量的緩存行。這迫使另一個核心將該行標記爲無效。緩存協議確保只有一個內核可以獲得獨佔訪問權限，並且該內核進入關鍵部分。

同時，其他核心，這也嘗試寫入信號量，必須等待，因爲它仍然需要高速緩存行的獨佔訪問。只要第一個內核完成其寫入操作，另一個內核便獲得獨佔訪問權並可完成其讀取 - 修改 - 寫入。但是讀 - 修改 - 寫的結果告訴它信號量很忙，所以它只有在檢測到信號量​​已被釋放後才能進入臨界區。

Answer 3

即使多個內核都存在，信號量（或互斥，或大多數其他的同步原語）的工作原理一樣的 - 只有線程指定數目可以輸入信號量。如果它只適用於單處理器機器，那它確實是一個糟糕的信號量！

有使這項工作所需的多種機制，我會盡量給一個高水平的視圖。

請注意，內存仍然在不同的內核之間共享。瞭解如何使用共享內存同步核心的簡化但IMO有用的方法是CMPXCHG instruction。這條指令可以自動地（見下面的更多細節）比較並設置一個存儲器地址。如果內存地址有你正在比較的值，它也會將零標誌設置爲1。

考慮下面的代碼：

wait: 
mov eax, 0 
mov ecx, 1 
lock cmpxchg [address of lock], ecx 
jne wait 
// We now own the lock 

代碼邏輯迴路執行以下操作：設置僅當值爲0

此代碼可以由多個內核運行，並且cmpxchg的原子性保證只有一個核心會勝出。

如果每個內核都有自己的緩存（現在通常如此），情況會變得更加複雜。對於單獨的緩存，每個核心都有自己的內存視圖，因此必須小心確保這些內存視圖一致。簡短的回答是，這可以通過在數據更改時讓緩存通知對方來完成，以便其他緩存可以在需要時使其副本無效或更新。查看snooping和MESI協議以獲取更多細節。請注意，如果內核位於同一個物理芯片上，那麼它們都將競爭內存總線，並且有在內核之間共享它的機制（例如仲裁機制;也可以查詢LOCK指令）。