ASM 中的非法指令：lock cmpxchg dest, src

Question

我一直在搞乱一些 x86 程序集，因为它出现在我的许多课程中。特别是，我想将比较和交换 (CAS) 公开为用户函数。这是为了让我可以实现自己的锁。

我在 Intel CPU 上使用 Linux 2.6.31 和 GCC 4.1.1。

我有以下几点：

// int cmpxchg(int *dest, int expected, int update)
.globl cmpxchg
cmpxchg:
  pushl %ebp
  movl  %esp, %ebp

  // edx holds dest
  movl 8(%ebp), %edx
  // eax holds expected value
  movl 12(%ebp), %eax
  // ecx holds the new value
  movl 16(%ebp), %ecx

  // cmpxchg dest_addr, exp_value
  // compare to %eax is implicit
  lock cmpxchgl %edx, %ecx

  leave
  ret

这是一个 *.s 文件，我用我的驱动程序编译。当我包含该行时

  lock cmpxchgl %edx, %ecx

并执行，我收到“非法指令”错误。 当我用

替换该行时

  cmpxchgl %edx, %ecx

我的代码似乎运行良好。

首先，lock 有必要吗？我不确定cmpxchgl 是否自然是原子的，所以我使用lock 来确定。作为用户级程序，我什至可以使用lock 吗？

谢谢

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我的最终代码（对于那些将来可能会在这里徘徊的人）：

// int cmpxchg(int *dest, int expected, int update)
.globl cmpxchg
cmpxchg:
  pushl %ebp
  movl  %esp, %ebp

  // edx holds dest, use eDx for Destination ;-)
  movl 8(%ebp), %edx
  // eax holds expected value implicitly
  movl 12(%ebp), %eax

  // cmpxchg dest_add, src_value
  lock cmpxchgl %edx, 16(%ebp)

  leave
  ret

Answer 1

你需要cmpxchgl %edx, (%ecx)

除非目标是内存操作数，否则此操作没有意义，但是该指令允许寄存器目标。如果指令使用寄存器模式，CPU 会出错。

我试过了，你的代码可以使用内存操作数。我不知道你是否意识到这一点，但这个序列（带有注册目标）有一个流行的名称：“f00fc7c8 错误”或“the F00F bug”。在 Pentium 时代，这是一个“HCF”（停止并着火）或“杀手戳”指令，因为它会生成一个异常，然后由于总线被锁定而无法处理该异常，并且可以从用户调用模式。我认为可能存在操作系统级别的软件解决方法。

Answer 2

Ross 的回答已经说明了大部分内容，但我会尝试澄清一些事情。

1. 是的，如果你想要原子性，LOCK 前缀是必需的。唯一的例外是 XCHG（不是 CMPXCHG）指令，正如 asveikau 指出的那样，默认情况下它是锁定的。
2. 是的，在用户模式代码中使用 LOCK 是完全合法的。
3. 是的，将CMPXCHG 与寄存器目标操作数一起使用是完全合法的。

也就是说，将LOCK CMPXCHG together 与寄存器目标操作数一起使用是不合法的。引用the IA-32 manual的第2A卷（我的副本中的第3-538页）：

LOCK 前缀只能添加到以下指令之前，并且只能添加到目标操作数是内存操作数的那些指令形式：ADD、ADC、AND、BTC、BTR、BTS、CMPXCHG、CMPXCHG8B、DEC、INC 、NEG、NOT、OR、SBB、SUB、XOR、XADD 和 XCHG。

Answer 3

您的程序在这里编译得很好（GNU as 2.20）（我将它粘贴到 test.s 并运行 as -o test.o test.s）

至于锁，英特尔的文档说：

该指令可以与 LOCK 前缀以允许指令 以原子方式执行。简化 处理器总线的接口， 目标操作数收到一个 写周期不考虑 比较的结果。这 如果目标操作数被写回 比较失败；否则， 源操作数被写入 目的地。 （处理器从不 产生一个锁定的读取，也没有 产生锁定写入。）

Answer 4

很好奇，这个最终代码仍然正确吗？从我所见，您正在反向进行比较，也就是说，您正在将指针的值（即指针所指的实际地址）与用作更新的整数进行比较......此外目标设置为用作更新值的临时 int。换句话说，而不是：

lock cmpxchgl %edx, 16(%ebp)

我想你会想要这样的东西：

//move the update value into ecx register
movl 0x16(%ebp), %ecx

//do the comparison between the value at the address pointed to by edx and eax,
//and if they are the same, copy ecx into the address being pointed to by edx
lock cmpxchgl %ecx, (%edx)

原始代码是否真的按计划工作（不仅仅是编译），如果没有，您是否最终重新组织了代码，使其看起来更像上面的？

Answer 5

这似乎不太可能是问题的根源，但official documentation 还指出该指令不支持早于 486 架构。这是否发生在实模式中，具有保护模式覆盖？