五、併發控制(1)：執行緒的互斥

看執行緒1,load(y)前面的是和y無關的store，所以作業系統允許store和load亂序。
這就使得實際可能是，執行緒1先執行load(y)，執行緒2先執行load(x)，然後分別進入(if !t1) goto，t1和t2同時進入臨界區，所以Peterson演算法出錯。
Perterson演算法在現代計算機上實際上是錯誤的

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在do_sum程式碼中使用了內聯彙編，使得其真正迴圈相加，徹底阻止了編譯器的優化。

如果我們的狀態機在每一個時刻，確實是執行一個執行緒的一條彙編指令的話，我們應該看到正確的值4n

這個結果就推翻了上面寫的那個上節課的假設（狀態機每一時刻執行一條指令），而要改為這節課的假設——指令每個時刻只能執行一個load/store或者一些執行緒本地的計算，如果一個x86的指令裡面包含超過一個load/store，那麼就會拆成若干條指令執行，每一個指令最多隻能load一次或者store一次。
那麼進入結果的解釋：

一條add指令拆分成 t=load(x);t++;store(x,t),這樣的話結果就位於區間(n,4n]之間了,但是為什麼也有小於n的情況。

下面進入進一步的解釋：

每一個處理器都有一個寫佇列store buffer，每次對x的store，不會立即寫入記憶體，而是首先寫入store buffer,執行時，那個佇列寫入x=1,x=2,x=3…。而我們在load的時候，只有當buffer裡沒有x時，才會去cpu 外面讀，若存在buffer中直接從buffer中讀取。store buffer裡的數值不是立即寫入記憶體，而是按照1,2,3…這個寫入的順序寫入記憶體。(例如x=1,實際上會寫出cpu )。而寫出cpu不是立即到達共享的記憶體中，而是到達cpu的快取中。如果這時執行緒1在cpu1上已經完成了x=1,x=2,x=3的寫入，但是有可能所有的數值都還留在store buffer中，當我們的執行緒2在另一個cpu上執行load，會去共享記憶體中讀取，執行緒2會讀到sum=0，所以線上程1上完成了3次sum++的操作，但是線上程2看不到這個操作，因此sum<n就很合理了。

多處理器設計這麼複雜完全是為了單執行緒執行更快而設計的，像store buffer，cache，但是這就讓多執行緒的執行難以理解。

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上一節課中，狀態機每一步執行一個指令的假設被推翻。一條指令會分解成若干條更小的指令，處理器的亂序會得到奇怪的結果。

如果硬體提供一點點更多的支援，在多處理器上實現互斥就變得非常容易。

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如果硬體能提供一些指令幫我們就好了。

剛才提到，在共享記憶體上實現互斥，只能使用load，store，和執行緒本地計算。而load和store本身是存在能力上的缺陷的。
例如load環顧四周，只能看不能寫，而且每次只能看記憶體裡的一個地址
而store在改變物理世界狀態的時候，不能讀，只能把眼睛蒙起來動手。這時候這個動手成功沒有，在動手的期間有沒有別的執行緒再動過手，這都是不知道的。
再加上現代多處理器上load和store執行時可能亂序，就更復雜了。

上面那個是有著明顯錯誤的鎖實現，如果狀態[IP1,IP2,locked]=[2,2,0]（即if判斷成功進入了那個if，這個時候後面可以同時進入臨界區。

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如果能保證load和store這中間不被打斷，就不會出現[2,2,0]的情況，就可以保證這段程式的正確性。
這種指令叫做：test-and-set

t=load(locked);
if (t == 0) store(locked,1);

實際上我們的硬體我們提供了很多的原子指令.

能保證原子性（這樣一條指令不會被打斷）
能保證順序以及多處理器間的可見性。
能保證在原子指令之前所有的store會在其他的處理器之間可見，以及這樣的一條原子指令能保證在這個指令前後的load和store不能被亂序，所以保證了記憶體訪問的順序

上述程式碼在addq上新增了一個lock

和前面相比，就多了一個lock，然後指令開頭多了一個f0，表示這個指令需要鎖定，我們的CPU在訪問這條指令的時候就可以保證原子性，順序性和可見性，因此執行時的到了正確的結果4n。
命令time ./a.out，得到這個執行的結果是0.422s。
而之前那個錯誤的指令是0.043s，在原子指令呼叫比較密集的情況下，可能會有10倍甚至更多的效能差距

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為了實現互斥鎖，x86給我們提供了xchg指令（英文原單詞應該是exchange交換）.

xchg將傳入的記憶體地址addr的值和傳入的引數newval的值做交換，他將瞬間完成*addr 和 newval數值的交換，不會被其他處理器打斷，原子完成

把執行緒想象成人，物理世界想象為共享記憶體，看上面的ppt，非常清楚。於是我們可以實現os課上的地一個鎖演算法——自旋鎖。

所謂的自旋spin來自量子力學，量子不斷地旋轉，交換交換交換
直到換到了一把鑰匙，進入，所以成為自旋鎖。

可以改寫成一段非常精簡的程式碼：
可以把tabel重新命名為locked，Key=0，NOTE=1
改寫成->:

while (1){
	int ret = xchg(locked,1);
	if (ret == 0) break;
}

可以進一步改寫成：

while( xchg(locked,1) ) ;