x86 上的字撕裂答案

【问题标题】：Word Tearing on x86x86 上的字撕裂
【发布时间】：2009-10-22 13:51:50
【问题描述】：

在什么情况下让两个不同的线程同时写入 x86 上同一个数组的相邻元素是不安全的？我知道在某些具有疯狂内存模型的类似 DS9K 的架构上，这可能会导致字撕裂，但在 x86 上，单个字节是可寻址的。例如，在 D 编程语言中，real 是 x86 上的 80 位浮点类型。这样做是否安全：

real[] nums = new real[4];  // Assume new returns a 16-byte aligned block.
foreach(i; 0..4) {
    // Create a new thread and have it do stuff and 
    // write results to index i of nums.
}

注意：我知道，即使这是安全的，它有时也会导致缓存的错误共享问题，从而导致性能下降。但是，对于我所考虑的用例，写入频率将不高，这在实践中并不重要。

编辑：不要担心读回写入的值。假设是在读取任何值之前将同步。我只关心这种方式写作的安全性。

【问题讨论】：

我假设您正在查看相邻地址的脏写？

标签： multithreading thread-safety parallel-processing d race-condition

【解决方案1】：

x86 具有一致的缓存。最后一个写入高速缓存行的处理器获取整个内容并写入高速缓存。这确保了写入相应值的单字节和 4 字节值是原子更新的。

这与“它的安全”不同。如果每个处理器仅按设计写入该处理器“拥有”的字节/DWORDS，则更新将是正确的。在实践中，您希望一个处理器读取其他处理器写入的值，这需要同步。

它也不同于“高效”。如果多个处理器可以分别写入缓存线中的不同位置，那么缓存线可以在 CPU 之间进行乒乓球运动，这比缓存线进入单个 CPU 并停留在那里要昂贵得多。通常的规则是将特定于处理器的数据放在它自己的高速缓存行中。当然，如果你只想写一个单词，就写一次，然后与缓存行移动相比，工作量很大，那么你的表现是可以接受的。

【讨论】：

关于阅读的观点：这个想法是使用平行地图之类的东西并行填充一个巨大的数组。映射函数将花费大部分时间，因此写入所花费的时间可以忽略不计，并且无论如何缓存行只会在工作单元的边界附近共享。在从该数组读回任何值之前，将使用某种类型的同步。

【解决方案2】：

我可能会遗漏一些东西，但我没有预见到任何问题。 x86 架构只写入它需要的内容，它不会在指定值之外进行任何写入。 Cache-snooping 处理缓存问题。

【讨论】：

【解决方案3】：

您询问的是 x86 细节，但您的示例使用的是某种高级语言。您关于 D 的具体问题只能由编写您正在使用的编译器的人来回答，或者也许是 D 语言规范。例如，Java 要求数组元素访问不得导致撕裂。

关于 x86，操作的原子性在 Intel's Software Developer's Manual Volume 3A 的第 8.1 节中指定。根据它，原子存储操作包括：在所有 x86 CPU 上存储一个字节、存储字对齐的字和双字对齐的 dword。它还指定在 P6 和更高版本的 CPU 上，对高速缓存行中的高速缓存内存的未对齐 16、32 和 64 位访问是原子的。

【讨论】：