Operación atómica
Operación atómica ( griego άτομος - indivisible) - una operación que se realiza por completo o no se realiza en absoluto; una operación que no puede ser parcialmente realizada y parcialmente no realizada.
Este artículo describe las operaciones atómicas más simples (lectura, escritura, etc.), aunque el término puede referirse a operaciones de nivel superior, como, por ejemplo, una serie de consultas al DBMS dentro de una sola transacción .
Las operaciones atómicas se utilizan en computadoras multiprocesador y en sistemas operativos multitarea para brindar acceso a múltiples procesos y/o múltiples subprocesos del mismo proceso a los recursos compartidos entre ellos. Una operación atómica es realizada por un solo hilo .
Clasificación
La atomicidad de las operaciones puede ser proporcionada por hardware (hardware) y software (código de programa). En el primer caso, se utilizan instrucciones de máquina especiales , cuya atomicidad está garantizada por el hardware. En el segundo caso, se utilizan herramientas especiales de software de sincronización , con la ayuda de las cuales se bloquea el recurso compartido ; después del bloqueo, se realiza la operación que debe hacerse atómicamente. Un bloqueo es una operación atómica que otorga un recurso a un subproceso o le dice al subproceso que el recurso ya está en uso por otro subproceso o proceso (ocupado).
Instrucciones de montaje y atomicidad
Instrucciones de máquina, cuya ejecución siempre puede considerarse atómica:
- instrucciones de máquina para leer datos de la memoria en una dirección alineada y escribirlos en un registro general;
- instrucciones de máquina para leer datos de un registro de propósito general y escribirlos en la memoria en una dirección alineada;
- instrucciones de máquina especialmente diseñadas para funcionar atómicamente, comúnmente conocidas como instrucciones atómicas.
Instrucciones de máquina que no son atómicas:
- instrucciones de máquina para leer/escribir datos en una dirección no alineada (al ejecutar una de estas instrucciones, el procesador se ve obligado a acceder a dos celdas de memoria. En el momento en que el procesador accede a una celda, la otra celda puede ser cambiada por otro procesador);
- todas las instrucciones de máquina de la forma " leer-modificar-escribir " (la ejecución de una de esas instrucciones se reduce a leer datos de la memoria, cambiar datos a la ALU y escribir datos en la memoria. Después de leer datos de la memoria, el contenido de la memoria puede cambiar);
- instrucciones de máquina de cadenas para procesadores x86 ;
- instrucciones de máquina push and pop para procesadores x86;
- instrucciones de máquina que funcionan con registros de control especiales (dichas instrucciones pueden ejecutarse dentro de varios ciclos de procesador y generar decenas o cientos de accesos a la memoria, se usan solo en el software del sistema ).
Instrucciones atómicas para procesadores x86
Instrucciones atómicas para procesadores de arquitectura x86 :
- CMPXCHG, CMPXCHG8B, CMPXCHG16B es la instrucción atómica principal de los procesadores x86 que realiza la comparación y el intercambio . Cuando se usa con el prefijo LOCK [1] [2] , compara atómicamente el valor de una variable con el valor especificado y, según el resultado de la comparación, establece el valor especificado en la variable o no hace nada. Es la base para la implementación de todos los algoritmos de no bloqueo , a menudo utilizados en la implementación de spinlocks , RWLocks y casi todos los elementos de sincronización de alto nivel, como semáforos, mutexes, eventos, etc.;
- XCHG es una operación para intercambiar datos entre un registro y una celda de memoria, o entre dos registros. La atomicidad de esta operación importa cuando el operando de instrucción es una celda de memoria. En procesadores x86 , se ejecuta atómicamente incluso sin usar el prefijo LOCK [3] (por lo que se debe evitar usar esta instrucción simplemente para intercambiar valores de un registro y una ubicación de memoria, esto provocará retrasos innecesarios y muy significativos en ejecución de código). A menudo se utiliza en la implementación de spinlocks .
Además, muchas instrucciones de máquina de lectura, modificación y escritura se ejecutan atómicamente cuando tienen el prefijo LOCK [4] ( código de operación 0xF0), como las siguientes:
- comandos de suma y resta ADD, ADC, SUB y SBB si el operando de destino es la dirección de una celda de memoria;
- comandos de incremento y decremento INC y DEC;
- comandos lógicos AND, OR y XOR;
- instrucciones de un solo operando NEG y NOT;
- operaciones de bits BTS, BTR y BTC;
- operación de adición e intercambio XADD.
El prefijo LOCK bloquea el acceso a la memoria mientras dura la instrucción. Un bloqueo puede extenderse sobre un área de memoria más ancha que la longitud del operando, como la longitud de una línea de caché .
Instrucciones atómicas en procesadores RISC
Una característica de las arquitecturas de procesador RISC es la ausencia de instrucciones de lectura, modificación y escritura . Los procesadores RISC DEC Alpha , PowerPC , MIPS y ARM (ARMv6 y anteriores) admiten acceso exclusivo a la memoria sin bloqueo. Las operaciones atómicas se implementan utilizando un par de instrucciones exclusivas de lectura y escritura LL y SC de la siguiente manera:
- cargando con una marca (LL - carga vinculada);
- cambio de datos;
- intento de escritura (SC - almacenamiento condicional).
La primera instrucción (LL) carga los datos de la ubicación de memoria en un registro y marca la ubicación como una ubicación de acceso exclusivo. A continuación, se realizan los cambios de datos necesarios en el registro. La escritura de datos del registro a la memoria (SC) se realiza solo si el valor de la celda de memoria no ha cambiado. Si el valor ha cambiado, se deben repetir las tres operaciones (LL, cambio de datos y SC).
Instrucciones atómicas y compiladores
Los compiladores de lenguajes de alto nivel , por regla general, no utilizan instrucciones atómicas al generar código porque, en primer lugar, las operaciones atómicas requieren muchos más recursos que las ordinarias y, en segundo lugar, el compilador no tiene información sobre cuándo debe accederse a los datos. llevarse a cabo atómicamente (porque incluso el modificador volátil para una variable en C/C++ no significa una necesidad real de usar operaciones atómicas). Si es necesario, el programador puede usar instrucciones atómicas de una de las siguientes maneras:
- insertar instrucciones atómicas en el código utilizando el ensamblador proporcionado por el compilador , por ejemplo, el ensamblado en línea GCC del compilador gcc ;
- usar funciones proporcionadas por el compilador que llamen instrucciones atómicas, como funciones de las familias __builtin_ o __sync_ del compilador gcc ;
- usar funciones proporcionadas por bibliotecas que llaman a instrucciones atómicas, por ejemplo, funciones de la biblioteca Glib ;
- utilizar lenguajes de programación que admitan atomicidad, como los lenguajes estándar C11 y C++14 que admiten los tipos _Atómico y atómico y las funciones de la familia atomic_ [5] .
Véase también
Notas
- ↑ CMPXCHG - Comparar e intercambiar . Archivado el 2 de noviembre de 2012 en Wayback Machine .
- ↑ CMPXCHG8B - Comparar e intercambiar 8 bytes . Archivado el 30 de noviembre de 2012 en Wayback Machine .
- ↑ http://faydoc.tripod.com/cpu/xchg.htm Archivado el 20 de noviembre de 2012 en Wayback Machine "Si se hace referencia a un operando de memoria, el protocolo de bloqueo del procesador se implementa automáticamente durante la operación de intercambio, independientemente de la presencia o ausencia del prefijo LOCK o del valor de la IOPL".
- ↑ Operaciones atómicas. Historia del asunto . Consultado el 12 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 17 de noviembre de 2012. (indefinido)
- ↑ Biblioteca de operaciones atómicas - cppreference.com . Consultado el 12 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 13 de agosto de 2015. (indefinido)
Enlaces