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3.2.1.2 汇编版 原子操作 CAS

news 来源：原创 2025/6/18 4:20:42

基本原理说明 

在 x86 和 ARM 架构上，原子操作通常利用硬件提供的原子指令来实现，比如 LOCK 前缀（x86）或 LDREX/STREX（ARM）。以下是一些关键的原子操作（例如原子递增和比较交换）的汇编实现。

1. x86 架构的原子操作

（1）原子递增

x86 的 LOCK 前缀可以用来保证指令在多核处理器上的原子性。例如原子递增操作：

实现原子递增
global atomic_increment
section .text
atomic_increment:mov eax, 1          ; 设置递增值为 1lock xadd [rdi], eax ; 对地址 rdi 所指向的变量执行原子加操作add rax, 1          ; xadd 返回的是原值，rax = 原值 + 1ret
解释：
  • LOCK XADD [rdi], eax：对 rdi 指向的地址执行原子加操作，将原值存入 eax，并把 eax 加上后写回 rdi。
  • 使用 LOCK 前缀可以保证多核环境下的原子性。

（2）比较并交换（CAS）

x86 提供了 CMPXCHG 指令，可以用来实现原子的比较并交换（CAS）。

实现原子 CAS
global atomic_compare_exchange
section .text
atomic_compare_exchange:mov rax, rsi        ; 将期望值放入 raxlock cmpxchg [rdi], rdx ; 如果 [rdi] 的值等于 rax（期望值），将 rdx 写入 [rdi]ret
参数说明：
  • rdi：目标地址。
  • rsi：期望值。
  • rdx：需要交换的值。
解释：
  • LOCK CMPXCHG [rdi], rdx：
    • 如果 [rdi] 的值等于 RAX，则将 rdx 写入 [rdi]。
    • 否则将 [rdi] 的当前值写入 RAX。
  • 返回值：RAX 中存储的是 rdi 的旧值，调用者可以根据是否等于 rsi 判断交换是否成功。

2. ARM 架构的原子操作

ARM 使用 LDREX/STREX 指令对原子操作进行支持。这是一种 负载-存储排他模型，可以保证在加载到存储之间没有其他线程或进程修改目标变量。

（1）原子递增

在 ARM 架构下，使用 LDREX/STREX 实现原子递增：

实现原子递增
.global atomic_increment
atomic_increment:mov r1, #1          ; 将 1 存入 r1（递增值）
1:ldrex r0, [r0]      ; 使用 LDREX 加载 [r0] 的值到 r0add r0, r0, r1      ; r0 = r0 + 1strex r2, r0, [r0]  ; 尝试将 r0 写回 [r0]，如果成功 r2 = 0cmp r2, #0          ; 检查写入是否成功bne 1b              ; 如果不成功，重试dmb                 ; 数据内存屏障，确保操作完成bx lr
解释：
  • LDREX：加载目标地址的值，同时标记为“独占”访问。
  • STREX：尝试存储值到目标地址，如果目标地址在此期间被其他核修改，存储操作会失败，返回非 0。
  • 使用循环保证操作成功。

（2）比较并交换（CAS）

实现原子 CAS
.global atomic_compare_exchange
atomic_compare_exchange:ldrex r0, [r1]      ; 从地址 r1 加载值到 r0（旧值）cmp r0, r2          ; 比较 r0 和 r2（期望值）bne 1f              ; 如果不相等，跳转到 1f，返回旧值strex r3, r3, [r1]  ; 尝试将 r3 写入 [r1]，如果成功 r3 = 0cmp r3, #0          ; 检查是否存储成功bne atomic_compare_exchange ; 如果失败，重新尝试
1:dmb                 ; 数据内存屏障，保证一致性bx lr
参数说明：
  • r1：目标地址。
  • r2：期望值。
  • r3：要交换的值。
解释：
  • 如果 LDREX 加载的值与 期望值（r2）相等，则尝试存储 r3。
  • 如果存储失败，则重复尝试。
  • 成功后返回原值。

3. 汇编操作的注意事项

  1. x86 的强内存模型：
    • x86 硬件有一个相对强的内存序，很多情况下 LOCK 前缀可以满足原子操作需求。
  2. ARM 的弱内存模型：
    • ARM 是弱内存模型，使用 LDREX/STREX 操作时，通常需要内存屏障（如 DMB）来确保指令顺序和数据同步。
  3. 重试机制：
    • 对于 ARM 的 LDREX/STREX 模式，如果存储失败需要通过循环重试。
  4. 指令可用性：
    • 需要确保目标平台支持这些指令。比如 CMPXCHG 在早期的 x86 处理器（如 80386）上不可用。

4. 比较总结

操作x86ARM
原子递增LOCK XADDLDREX + ADD + STREX
原子比较交换LOCK CMPXCHGLDREX + CMP + STREX
内存屏障MFENCE（可选）DMB

x86 汇编通常较为简单，因为其强内存序模型降低了编程复杂性；ARM 则需要更明确的同步和屏障操作。

代码实现

my_atomic.h

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>// 平台区分
#if defined(__x86_64__)#define ATOMIC_X86
#elif defined(__aarch64__)#define ATOMIC_ARM
#else#error "Unsupported platform"
#endif// ===================== x86 实现 =====================
#ifdef ATOMIC_X86// 原子递增
static inline int atomic_increment(int *addr) {int result;__asm__ __volatile__("lock xaddl %0, %1": "=r"(result), "+m"(*addr): "0"(1): "memory");return result + 1; // 返回递增后的值
}// 原子递减
static inline int atomic_decrement(int *addr) {int result;__asm__ __volatile__("lock xaddl %0, %1": "=r"(result), "+m"(*addr): "0"(-1) // 减 1: "memory");return result - 1; // 返回递减后的值
}// 原子比较交换
static inline int atomic_compare_exchange(int *addr, int expected, int desired) {int old;__asm__ __volatile__("lock cmpxchgl %2, %1": "=a"(old), "+m"(*addr): "r"(desired), "0"(expected): "memory");return old; // 返回旧值
}// 原子读取
static inline int atomic_load(int *addr) {int value;__asm__ __volatile__("movl %1, %0": "=r"(value): "m"(*addr): "memory");return value; // 返回读取值
}#endif // ATOMIC_X86// ===================== ARM 实现 =====================
#ifdef ATOMIC_ARM// 原子递增
static inline int atomic_increment(int *addr) {int old, tmp;do {__asm__ __volatile__("ldrex %0, [%2]      \n" // 读取旧值到 old"add   %1, %0, #1    \n" // tmp = old + 1"strex %0, %1, [%2]  \n" // 尝试写回: "=&r"(old), "=&r"(tmp): "r"(addr): "memory", "cc");} while (old != 0); // 如果写失败，重试return tmp; // 返回递增后的值
}// 原子递减
static inline int atomic_decrement(int *addr) {int old, tmp;do {__asm__ __volatile__("ldrex %0, [%2]      \n" // 读取旧值到 old"sub   %1, %0, #1    \n" // tmp = old - 1"strex %0, %1, [%2]  \n" // 尝试写回: "=&r"(old), "=&r"(tmp): "r"(addr): "memory", "cc");} while (old != 0); // 如果写失败，重试return tmp; // 返回递减后的值
}// 原子比较交换
static inline int atomic_compare_exchange(int *addr, int expected, int desired) {int old, status;do {__asm__ __volatile__("ldrex %0, [%2]       \n" // 加载到 old"cmp   %0, %3         \n" // 比较 old 和 expected"bne   1f             \n" // 如果不相等，跳转到 1"strex %1, %4, [%2]   \n" // 尝试写回 desired"1:": "=&r"(old), "=&r"(status): "r"(addr), "r"(expected), "r"(desired): "memory", "cc");} while (status != 0); // 如果写失败，重试return old; // 返回旧值
}// 原子读取
static inline int atomic_load(int *addr) {int value;__asm__ __volatile__("ldrex %0, [%1] \n" // 加载值到 value: "=&r"(value): "r"(addr): "memory");return value; // 返回读取值
}#endif // ATOMIC_ARM

my_atomic_test.c

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "my_atomic.h"#define NUM_THREADS 4
#define ITERATIONS 1000volatile int shared_counter = 0; // 全局共享计数器// 线程函数：执行递增操作
void* thread_increment(void* arg) {for (int i = 0; i < ITERATIONS; i++) {atomic_increment((int*)&shared_counter);}return NULL;
}// 线程函数：执行递减操作
void* thread_decrement(void* arg) {for (int i = 0; i < ITERATIONS; i++) {atomic_decrement((int*)&shared_counter);}return NULL;
}int main() {pthread_t threads[NUM_THREADS];// 创建增量线程for (int i = 0; i < NUM_THREADS / 2; i++) {if (pthread_create(&threads[i], NULL, thread_increment, NULL) != 0) {perror("pthread_create");exit(EXIT_FAILURE);}}// 创建减量线程for (int i = NUM_THREADS / 2; i < NUM_THREADS; i++) {if (pthread_create(&threads[i], NULL, thread_decrement, NULL) != 0) {perror("pthread_create");exit(EXIT_FAILURE);}}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {pthread_join(threads[i], NULL);}// 最终结果int final_value = atomic_load((int*)&shared_counter);printf("最终计数器值: %d\n", final_value);return 0;
}

ubuntu x86编译运行

$ gcc -pthread -o a.out my_atomic_test.c
$ ./a.out
最终计数器值: 0

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编程日记 2025/6/1 16:30:21

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问题背景 给定一个长度为 n n n 的 0 0 0 索引 整数数组 n u m s nums nums。初始位置为 n u m s [ 0 ] nums[0] nums[0]。 每个元素 n u m s [ i ] nums[i] nums[i] 表示从索引 i i i 向前跳转的最大长度。换句话说&#xff0c;如果你在 n u m s [ i ] nums[i] nums[i…...

编程日记 2025/6/3 7:06:25

被裁20240927 --- YOLO 算法

背景 在云端部署ViSP&#xff0c;ViSP实现视觉伺服、yolo实现视觉跟踪。 开源的2d视觉跟踪算法有哪些&#xff1f; 开源的2D视觉跟踪算法有很多呢&#xff0c;这里给你推荐一些比较知名和常用的吧。 ByteTrackV2&#xff1a;这是一个通用2D跟踪算法&#xff0c;提出了分层的…...

编程日记 2025/6/4 4:23:00

AI技术架构：从基础设施到应用

人工智能&#xff08;AI&#xff09;的发展&#xff0c;正以前所未有的速度重塑我们的世界。了解AI技术架构&#xff0c;不仅能帮助我们看懂 AI 的底层逻辑&#xff0c;还能掌握其对各行业变革的潜力与方向。 一、基础设施层&#xff1a;AI 技术的坚实地基 基础设施层是 AI 技…...

编程日记 2025/6/2 10:39:53

植物大战僵尸辅助【控制台版本】

前面介绍了使用CE和OD的简单使用&#xff1a;CE和OD介绍和使用CE查找阳光的教学&#xff1a;阳光基地址和偏移地址&#xff0c;下面先使用最简单的控制台程序来实现修改阳光的功能。 项目地址 1.分析程序 我们的控制台程序想要修改植物大战僵尸游戏内的数据&#xff0c;它们…...

编程日记 2025/6/1 6:45:28

css中样式前加 css样式前面加个圆点

创建CSS样式,样式名称的前面需要加什么 1、我们只知道符号代表的意思是at&#xff0c;其翻译是 在... 例如media就是 在媒介上。没人规定本身具有什么意义&#xff0c;或者说就算规定了我们也改变不了&#xff0c;只需要知道其规定属性的用法即可。 2、px;}然后根据你自己索要…...

编程日记 2025/6/3 7:31:52

算法刷题Day18: BM41 输出二叉树的右视图

题目链接 描述 思路&#xff1a; 递归构造二叉树在Day15有讲到。复习一下&#xff0c;就是使用递归构建左右子树。将中序和前序一分为二。 接下来是找出每一层的最右边的节点&#xff0c;可以利用队列层次遍历。 利用队列长度记录当前层有多少个节点&#xff0c;每次从队列里…...

编程日记 2025/6/3 16:06:57

如何实现规范化LabVIEW编程

规范编写LabVIEW程序的目的是提高代码的可读性、可维护性、可扩展性&#xff0c;并确保团队成员能够高效地理解和修改代码。以下是一些关键建议&#xff0c;帮助您编写更专业的LabVIEW代码&#xff0c;并确保它易于后续的升级和维护&#xff1a; ​ 1. 合理的项目结构 目录结构…...

编程日记 2025/6/1 6:45:22

TQ15EG开发板教程：使用SSH登录petalinux

本例程在上一章“创建运行petalinux2019.1”基础上进行&#xff0c;本例程将实现使用SSH登录petalinux。 将上一章生成的BOOT.BIN与imag.ub文件放入到SD卡中启动。给开发板插入电源与串口&#xff0c;注意串口插入后会识别出两个串口号&#xff0c;都需要打开&#xff0c;查看串…...

编程日记 2025/6/1 6:45:21

Springboot+vue实现大文件上传

背景&#xff1a;为了实现大文件上传的功能 1新建数据表sql file_chunk CREATE TABLE file_chunk (id bigint UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,file_name varchar(255) CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_unicode_520_ci NULL DEFAULT NULL COMMENT 文件名,chunk_nu…...

编程日记 2025/6/2 11:16:08

Linux笔记

常用的基本命令 查询某个安装包有没有安装某个软件 使用的命令是rpm -qa |grep 软件名字 卸载软件 rpm -e --nodeps 软件名称 查看已经启动的服务 netstat -tunlp 一般我们在Linux系统中上传文件一般上传到 /usr/local/src的目录下 查看防火墙的命令 firewall-cmd --sta…...

编程日记 2025/6/1 6:45:17