同步在多处理器系统

Question

据我所知，同步可以在单核处理器使用旗语轻松完成。但是，如果我们有多核心，如果多个进程想要在相同的时刻进入临界区，那么它们全部进入临界区还是只有一个胜出？赢家流程赢得了什么标准？

Answer 1

信号量只是在一个系统中通过线程进行信号传递的方式之一。您可以在一个或多个核心CPU中使用不影响其使用情况的信号量。

现在让我们回到你的问题。如果你有关键部分，并且多个线程想要进入该区域，他们将全部进入该区域。您需要了解主线程（例如）或其他可以启动它们的线程，它们之间会有一定的时间间隔（几个ns周围的时间空间非常小）。 因此，这就是为什么我们使用信号化，因为我们不想要“胜利者”，而另一方面，在几乎所有情况下，线程都可以在该关键部分进行不必要的更改。

在单核系统只能实现的，因为不同的胎面用刚刚并发进程调度（假的平行度，经由的TaskScheduler）必须通过分配的时隙共用芯。

Answer 2

当两个内核试图在同一时间进入临界区，它们都尝试写入信号量内存的同时，使用锁定读 - 修改 - 写操作。为了使核心完成写入，缓存必须独占访问包含信号量的缓存行。这迫使另一个核心将该行标记为无效。缓存协议确保只有一个内核可以获得独占访问权限，并且该内核进入关键部分。

同时，其他核心，这也尝试写入信号量，必须等待，因为它仍然需要高速缓存行的独占访问。只要第一个内核完成其写入操作，另一个内核便获得独占访问权并可完成其读取 - 修改 - 写入。但是读 - 修改 - 写的结果告诉它信号量很忙，所以它只有在检测到信号量​​已被释放后才能进入临界区。

Answer 3

即使多个内核都存在，信号量（或互斥，或大多数其他的同步原语）的工作原理一样的 - 只有线程指定数目可以输入信号量。如果它只适用于单处理器机器，那它确实是一个糟糕的信号量！

有使这项工作所需的多种机制，我会尽量给一个高水平的视图。

请注意，内存仍然在不同的内核之间共享。了解如何使用共享内存同步核心的简化但IMO有用的方法是CMPXCHG instruction。这条指令可以自动地（见下面的更多细节）比较并设置一个存储器地址。如果内存地址有你正在比较的值，它也会将零标志设置为1。

考虑下面的代码：

wait: 
mov eax, 0 
mov ecx, 1 
lock cmpxchg [address of lock], ecx 
jne wait 
// We now own the lock 

代码逻辑回路执行以下操作：设置仅当值为0

此代码可以由多个内核运行，并且cmpxchg的原子性保证只有一个核心会胜出。

如果每个内核都有自己的缓存（现在通常如此），情况会变得更加复杂。对于单独的缓存，每个核心都有自己的内存视图，因此必须小心确保这些内存视图一致。简短的回答是，这可以通过在数据更改时让缓存通知对方来完成，以便其他缓存可以在需要时使其副本无效或更新。查看snooping和MESI协议以获取更多细节。请注意，如果内核位于同一个物理芯片上，那么它们都将竞争内存总线，并且有在内核之间共享它的机制（例如仲裁机制;也可以查询LOCK指令）。