浅析ARMv8体系结构：原子操作

概述

在编程中，当多个处理器或线程访问共享数据，并且至少有一个正在写入时，操作必须是原子的，这意味着数据访问必须被视为相对于其他处理器的单个操作，以避免数据竞争条件。

原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持，在不同的处理器体系结构上，原子操作会有不同的实现，例如在x86体系结构下，通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。目前在ARMv8体系结构下支持两种方式来实现原子操作：

• 一种是经典的独占内存访问机制，也叫做LL/SC（Load-Link/Store-Conditional），早期ARM体系结构下的原子操作都是基于这种方式实现；
• 另一种是ARMv8.1体系结构上新增的LSE（Large System Extension）扩展，LSE提供了多种原子内存访问操作指令。

LL/SC机制

LL/SC机制使用多个指令，并且每个处理器都需要实现一个专有监视器，LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。首先看下ARMv8体系结构提供的独占内存访问指令。

独占内存访问指令

ARMv8体系结构实现的独占内存访问指令为LDXR/STXR：

• LDXR：内存独占加载指令，它从内存中以独占方式加载内存地址的值到寄存器中；
• STXR：内存独占存储指令，它以独占的方式把数据存储到内存中。

LDXR/STXR的指令格式如下：

ldxr    <xt>, [xn | sp] 
stxr    <ws>, <xt>, [xn | sp]

多字节独占内存访问指令

LDXP和STXP指令是多字节独占内存访问指令，一条指令可以独占地加载和存储16字节。

ldxp    <xt1>, <xt2&