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Atomic Operation 是甚麼？原子操作？

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Atomic Operation 是甚麼？原子操作？

剛好在研究 Atomic Operation

因此整理了一下常見的 Atomic Operation

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Atomic Operation 代表這個操作是最小的操作，也就是說，當電腦在執行操作時，不會有其他人打斷這個操作，一次就全部完成。

接下來就來介紹各種不同的 Atomic Operation 吧！

Atomic Operation 如果直接翻譯的話是原子操作啦，但好像翻成最小操作比較直覺(?)


會先比較變數「當前的值」和「期望的值」是否相同，如果相同，則寫入「新的數值」。

cpp

void compare_and_swap(int* var, int expect_val, int new_val){
  if(*var == expect_val){
    *var = new_val;
  }
}

GCC 內建有提供 CAS 的 function，共有兩種：

  • __sync_bool_compare_and_swap：回傳值是 bool，如果有成功被修改為 newval，回傳 true，反之則回傳 false。
  • __sync_val_compare_and_swap：回傳 *ptr 在操作執行前的數值。

cpp

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

GCC 在 4.7.0 版本後，依據 C++11 的 memory model 有對 Atomic operator 更新1，但舊版的還是可以用。

更新後加入了成功和失敗的時候所採用的 memory order，如果不知道的話就用 __ATOMIC_SEQ_CST。

另外也加入了 weak 和 strong 的類型，weak 的版本可能會 fail spuriously，但速度較快，相反地，strong 的版本不會發生 fail spuriously，但速度較慢，根據 GCC 文件，很多平台只提供 strong 的類型，所以如果不知道要用甚麼就用 strong 吧。

fail spuriously：即便變數當前的數值和期望的一致，仍然有機會回傳 false，這可能與實作方式有關，例如有些架構上使用 LL/SC 來實作 CAS，在 context switches 或是 cache flush 後，SC 依然有可能認為 LL 的變數有被動過，因此就會回傳 false。

__atomic_compare_exchange_n 和 __atomic_compare_exchange 的差別只在 desired 是不是指標。

cpp

bool __atomic_compare_exchange_n (type *ptr, type *expected, type desired, bool weak, int success_memorder, int failure_memorder)
bool __atomic_compare_exchange (type *ptr, type *expected, type *desired, bool weak, int success_memorder, int failure_memorder)

C++11 標準中也有 CAS，在 <atomic>，其中分別有 weak 和 strong 的版本，explicit 則是有明確指定 memory order，沒有明確指定的就是 memory_order_seq_cst。

cpp

atomic_compare_exchange_weak
atomic_compare_exchange_weak_explicit
atomic_compare_exchange_strong
atomic_compare_exchange_strong_explicit

Load Link / Store Conditional (LL/SC)

LL/SC 是兩個 CPU 指令，就是 Load Link (LL) 和 Store Conditional (SC)。

LL 會從記憶體讀取目標資料到暫存器，也就是得到了目標的當前值，SC 會將新的數值寫回原本的目標，如果該目標從執行 LL 到 SC 之間沒有任何修改的話。

在 MIPS 中有提供 LL/SC。


TSL 會將數值設定為 set (非 0 數值)，並回傳操作前的舊值 (0 or 非 0 數值)，用 C++ 寫的話就是如下：

cpp

int test_and_set(int* var){
  int old_val = *var;
  *var = 1;
  return old_val;
}

使用 Test and Set 可以輕鬆地實作 spin lock，在一些等待時間不長的情況下，可以避免 content switch 所帶來的成本。

舊版的 GCC 函式中是根據 Intel Itanium Processor-specific Application Binary Interface 所訂製的，裡面沒有這邊描述的 Test and Set2，因此可以用 CAS 模擬：

text

#define __sync_test_and_set __sync_val_compare_and_swap(ptr, 0, 1)

更新過的函式，一樣支持了 memory order，如果原本就是 set (非 0 數值)，則回傳 true，反之則是 false：

cpp

bool __atomic_test_and_set (void *ptr, int memorder)

C++11 標準中在 <atomic> 也有提供 TSL，explicit 則是有明確指定 memory order，沒有明確指定的就是 memory_order_seq_cst。

cpp

atomic_flag_test_and_set
atomic_flag_test_and_set_explicit

將目標數值加上新的數值，如果用 C++ 寫起來就是以下的樣子：

cpp

int fetch_and_add(int* var, int val){
  int old_val = *var;
  *var += val;
  return old_val;
}

如果你的操作只是對原本的數值做一些操作，則直接使用 FAA 會比較有效率，畢竟不用 CAS + 迴圈。

舊版的 GCC 函式有提供除了 Add 之外的操作，像是 add、sub、and…，回傳操作前的舊值：

cpp

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)

上方的是回傳舊值，GCC 也提供回傳新值的：

cpp

type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

更新後的版本也有提供 FAA 和 memory order：

cpp

type __atomic_fetch_add (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_fetch_sub (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_fetch_and (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_fetch_xor (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_fetch_or (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_fetch_nand (type *ptr, type val, int memorder)

上方的是回傳舊值，下方回傳新值的：

cpp

type __atomic_add_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_sub_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_and_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_xor_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_or_fetch (type *ptr, type val, int memorder)
type __atomic_nand_fetch (type *ptr, type val, int memorder)

C++11 標準中在 <atomic> 也有提供 FAA 和其他相關的操作，explicit 則是有明確指定 memory order，沒有明確指定的就是 memory_order_seq_cst。

cpp

atomic_fetch_add
atomic_fetch_add_explicit
atomic_fetch_sub
atomic_fetch_sub_explicit
atomic_fetch_and
atomic_fetch_and_explicit
atomic_fetch_or
atomic_fetch_or_explicit
atomic_fetch_xor
atomic_fetch_xor_explicit

  1. The C++11 Memory Model and GCC ↩︎

  2. Is gcc’s atomic test and set builtin the same as an atomic fetch and store operation? ↩︎

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更新於 2023-05-22
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