硬體對同步的支援-TAS和CAS指令

元思發表於2020-06-26

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現在主流的多處理器架構都在硬體水平上提供了對併發同步的支援。
今天我們討論兩個很重要的硬體同步指令：Test-and-Set和Compare-and-Swap

Test and Set

一個Test-and-Set(TAS)指令包括兩個子步驟，把給定的記憶體地址設定為1，然後返回之前的舊值。
這兩個子步驟在硬體上實現為一個原子操作，執行期間不會被其他處理器打斷。
(一個CPU可以使用諸如Dual-port RAM電子原件提供的TAS指令，此外，CPU自身也可以提供CAS指令)
值得注意的是，TAS指令是在1位(bit)上實現，這限制了變數非0即1，不會有其他值，並且TAS總是把變數設定為1。
可見，TAS生而為自旋鎖，下面是使用TAS實現自旋鎖的虛擬碼[2]：

lock = 0 //shared state
while(test_and_set(lock)==0){ //try lock
       //do nothing   
}
// 臨界區程式碼
lock = 0   //release

當第一個執行緒執行這段程式碼時，TAS指令會立即把lock設定為1，並返回0 ，執行緒退出while迴圈進入臨界區。
如果另一個執行緒嘗試進入臨界區，TAS會把lock設定為1，但是也會返回1(由第一個執行緒的TAS指令設定為1)，
此時第二個執行緒會一直while迴圈(忙等待)，直到第一個執行緒退出臨界區程式碼，執行了lock=0，即釋放了鎖。
這種通過while-loop等待獲取鎖的實現稱為自旋鎖(spin lock)。

Compare and Swap

compare-and-swap(CAS)指令和TAS指令類似，但是比TAS要更復雜。
與TAS只有一個引數不同，CAS指令需要三個引數，一個記憶體位置(V)、一個期望舊值(A)、一個新值(B)。
CAS指令的執行過程：

1.比較記憶體V的值是否與A相等？
2.如果相等，則用新值B替換記憶體位置V的舊值
3.如果不相等，不做任何操作。
4.無論哪個情況，CAS都會把記憶體V原來的值返回。

虛擬碼：

int CAS(int *ptr,int oldvalue,int newvalue)
{
   int temp = *ptr;
   if(*ptr == oldvalue)
       *ptr = newvalue
   return temp;
}

以上過程在CAS指令中是原子操作。
CAS支援32bit/64bit的資料型別，這使得CAS能夠實現一些更復雜的自旋鎖。

使用CAS實現執行緒安全的資料結構。

我們使用CAS實現一個併發的平衡二叉搜尋樹。[1]
基本思路是，所有的更新操作都要在二叉樹的副本上進行，更新完成後，使用CAS指令把新的根節點引用替換舊的引用。

//共享變數
  root = pointer to the root of the tree
//插入操作
do
  old_root = root
  new_root = new Tree
  # copy old_root into new_root
  # do insertion into new_root
until compare_and_swap (root, old_root, new_root) == old_root
平衡操作:
do
  old_root = root
  new_root = balanced_copy_of (old_root)
until compare_and_swap (root, old_root, new_root) == old_root

如果並行的執行平衡操作和插入操作，插入操作完成後會把二叉樹的根節點指向新的引用。
等到平衡操作完成後，compare_and_swap將會失敗，因為此時根節點指向了插入操作產生的新地址，不再等於old_root，
平衡操作會重複迴圈執行，直到成功更新根節點。
同樣的，如果平衡操作先於插入操作完成，插入操作的CAS指令也會失敗（根節點已指向平衡操作產生的新地址），然後插入操作重複迴圈，直到成功。

基於CAS指令可以實現基礎的訊號量、互斥量之外，還可以實現更復雜的lock-free和wait-free演算法。

延伸閱讀:

1.康奈爾大學作業系統課件:Architectural support for synchronization
2.wiki:Test-and-Set指令
3.wiki:Compare-and-swap指令
4.TAS vs CAS

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