多处理器系统中的同步

Question

我了解在单核处理器中使用 信号量 可以轻松完成同步。但是在多核的情况下，如果多个进程想在同一时刻进入临界区，是全部进入临界区还是只有一个获胜？获胜者过程获胜的标准是什么？

Answer 1

当两个内核尝试同时进入临界区时，它们都尝试同时写入内存中的信号量，使用锁定的读-修改-写操作。为了让内核完成写入，缓存必须获得对包含信号量的缓存行的独占访问权限。这会强制另一个核心将该行标记为无效。缓存协议确保只有一个内核可以获得独占访问，并且该内核进入临界区。

同时，另一个也在尝试写入信号量的内核必须等待，因为它仍然需要独占访问高速缓存行。一旦第一个核心完成其写入操作，另一个核心将获得独占访问权限并可以完成其读取-修改-写入。但是 read-modify-write 的结果告诉它信号量很忙，所以它不能进入​​临界区，直到它检测到信号量​​已经被释放。

Answer 2

即使存在多个内核，信号量（或互斥体，或大多数其他同步原语）的工作方式也一样 - 只有指定数量的线程可以进入信号量。如果它只在单处理器机器上工作，它确实是一个糟糕的信号量！

要完成这项工作需要多种机制，我将尝试给出一个高层次的观点。

请注意，内存仍然在不同的内核之间共享。 CMPXCHG instruction 是了解如何使用共享内存同步内核的一种简化但 IMO 有用的方法。该指令可以原子地（请参阅下面的更多详细信息）比较和设置内存地址。如果内存地址具有您要比较的值，它还将零标志设置为 1。

考虑以下代码：

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

代码在逻辑上循环执行以下操作：仅当 lock 为 0 时才将 lock 的值设置为 1。

这段代码可以多核运行，cmpxchg的原子性保证只有一个核获胜。

如果每个核心都有自己的缓存（现在通常是这种情况），情况会变得更加复杂。对于单独的缓存，每个内核都有自己的内存视图，因此必须注意确保这些内存视图是一致的。简短的回答是，这可以通过让缓存在数据更改时相互通知来完成，以便其他缓存可以在需要时使它们的副本无效或更新。查阅窥探和 MESI 协议以了解更多详细信息。

请注意，如果内核在同一个物理芯片上，那么它们都在竞争内存总线，并且内核之间有共享它的机制（例如仲裁机制；另请参阅LOCK 指令）。

Answer 3

信号量只是在一个系统中通过线程进行信号化的一种方式。您可以在不影响其使用的单核或多核 CPU 中使用信号量。

现在让我们回到您的问题。如果您有关键部分并且多个线程想要进入该区域，它们将全部进入该区域。您需要了解主线程（例如）或将启动它们的其他线程，在它们之间产生一些时间间隔（大约几个 ns 的时间空间非常小）。 这就是我们使用 signalisation 的原因，因为我们不想要“赢家”，另一方面，在几乎所有情况下，线程都可能在该关键部分进行不必要的更改。

在单核系统中，您只能实现仅并发的进程调度（假并行，通过 TaskScheduler ），因为不同的线程必须通过分配的时隙共享核心。