Peterson 算法的路线错误

试图在 load/store 上实现互斥

• 计算机系统是我们造的
  • 我们当然也可以把它改成容易实现互斥的样子
  • 这是 Computer Science 和自然科学的一个很大不同
    • 相当多的游戏规则是我们定的

软件不好解决的，硬件帮忙

• 给我一条 “stop the world” 的指令可以吗？

还真的有这么一条指令

cli (x86)

• Clear Interrupt Flag
  • eflags 里有一个 bit 是 IF (0x200)
  • 对于单处理器系统，死循环 = 计算机系统卡死

csrci mstatus, 8 (RISC-V)

• Control and Status Register Clear Immediate
  • 同样，清除 mstatus 的 MIE bit

适用条件

• 单处理器系统、操作系统内核代码

实现线程互斥需要怎样的指令?

思路

• 从不正确的代码开始，把我们 “想做到” 的事用指令去做
• 错误原因：if 条件在执行 can_go = 时已经不成立了

void lock() {
retry:
    if (can_go == ) {
        can_go = ;  // then function returns
    } else {
        goto retry;
    }
}

void unlock() {
    can_go = ;
}

硬件：提供 stop-the-world 的 “小操作”！

ἄτομος (atomos): “indivisible” 的原子指令

• 一个 “不被打断” 的 load + 计算 + store
  • x86: Bus Lock (locked instruction)
  • RISC-V: LR/SC & A 扩展
    • 来自 MIPS: Load-Linked/Store-Conditional (LL/SC)
  • arm: ldxr/stxr, stadd (store add) 指令

if (can_go == ) {
    can_go = ;  // then function returns
}

// movl $, %eax
// movl $, %edx
// lock cmpxchgl %edx, (can_go)

终于可以实现 1 + 1 了

asm volatile("lock incq %0" : "+m"(sum));

自旋锁：API 与实现

typedef struct {
  ...
} lock_t;
void spin_lock(lock_t *lk);  // 可以有多组 can_go
void spin_unlock(lock_t *lk);

void spin_lock(lock_t *lk) {
retry:
    if (!atomic_cmpxchg(&lk->status, , )) {
        goto retry;
    }
}

void spin_unlock(lock_t *lk) {
    lk->status = ;
    __sync_synchronize();
}

Caveat: lock/unlock 是万恶之源

从设计出这个 API 开始……

• 人类就走上万劫不复的错误道路了
• 因为 lock 和 unlock 都是程序员负责的
  • 写代码的时候就必须清楚地知道什么时间会和谁共享数据
  • 还记得 Tony Hoare 的 billion-dollar mistake 吗？程序员 100% 会花式犯错的！！！
    • 忘记标记代码；在偶然的路径上忘记 unlock (例如：在 lock/unlock 之间 return)；……

T1: spin_lock(&l); sum++; spin_unlock(&l);
T2: spin_lock(&I); sum++; spin_unlock(&I);

• 不要笑， 就是你自己