在MIPS中实现原子操作

在MIPS中实现原子操作

一、详解原子操作

1、原子操作的特点

①不可中断性：一旦开始，就不会被其他操作打断直到完成。

②完整性：操作要么完全执行，要么完全不执行，没有中间状态。

③独立性：执行结果不依赖于线程的调度方式或者操作的交错执行。

即原子操作是一个不可分的操作

2、为什么要实现原子操作

在多个进程同时对一个内存单元进行操作的时候，如果任务之间不进行同步，就会有数据竞争的风险。举个例子，例如

A和B都需要对寄存器s0进行+1的操作，即最终我们希望s0最后会＋2。

A从寄存器中取出了一个数据0；

B从寄存器中取出了一个数据0；

A对取出的数据+1；

B对取出的数据+1；

A放回数据，s0的值为1；

B放回数据，s0的值为1；在这个过程中，由于+1这个操作不是原子的，导致A的操作被B覆盖了，如果我们将这个+1的操作原子化，将取数据，+1，放回数据合并成一个不可再分的原子化操作，那么我们就可以避免数据冲突。

（至于为什么不直接用addi，是因为很多时候我们需要取数据+操作+放回数据而不是直接修改数据，这里的+1只是模拟这个过程）

二、原子操作的实现

1、链接取数指令和条件存数指令

①链接取数指令

示例：ll $t1,0($s1)

含义：LL指令从内存$s1中读取一个字，并将其加载到寄存器$t1中。与普通的加载指令（如LW）不同，LL指令还会在内部记录加载的内存地址和对应的数据，为后续的SC指令做准备。

②条件存数指令

示例：sc $t1,0($s1)

含义：SC指令试图将一个寄存器$t1中的值写入到内存$s1中。但是，SC会根据上一个保存有相同地址的LL指令判断有没有其他处理器在LL和SC指令之间修改过该内存位置，如果没有才会写入成功。如果写入成功，SC指令将在目标寄存器$t1中写入0；如果失败（即在这段时间内内存位置被修改），则写入1。

2、示范

接下来，让我们示范如何实现+1操作的原子化。

again:ll $t0,0,($s0)
addi $t0,$t0,1
sc $t0,0($s0)
beq $t0,$zero,again

在上述代码中，我们先从s0中取出一个数，然后自加1后用sc放入原寄存器，若在此过程中没有其他处理器修改过该内存，则t0为1，执行成功。否则t0为0，跳转到again重新执行，在这个过程中，自加1操作不再可分。