アトミック命令とはどういう意味ですか?
以下はどのようにして Atomic になりますか?
TestAndSet
int TestAndSet(int *x){
register int temp = *x;
*x = 1;
return temp;
}
ソフトウェアの観点から、ノンブロッキング同期プリミティブを使用したくない場合、どうすれば命令の原子性を確保できますか? ハードウェアでのみ可能ですか、それともアセンブリ レベルのディレクティブの最適化を使用できますか?
一部のマシン命令は本質的にアトミックです。たとえば、ネイティブ プロセッサのワード サイズの適切にアラインされた値の読み取りと書き込みは、多くのアーキテクチャでアトミックです。
これは、ハードウェア割り込み、他のプロセッサ、およびハイパースレッドが読み取りまたは格納を中断したり、同じ場所への部分的な値の読み取りまたは書き込みを行うことができないことを意味します。
アトミックな読み取りと書き込みなどのより複雑なことは、明示的なアトミック マシン命令 (x86 の LOCK CMPXCHG など) によって実現できます。
ロックおよびその他の高レベルの構造は、これらのアトミック プリミティブに基づいて構築されており、通常は単一のプロセッサ ワードのみを保護します。
いくつかの巧妙な並行アルゴリズムは、ポインターの読み取りと書き込みだけを使用して構築できます。たとえば、単一のリーダーとライターの間で共有されるリンクリスト、または努力によって複数のリーダーとライターの間で共有されるリンクされたリストなどです。
以下は、意味を理解するのに役立つかもしれない原子性に関する私のメモの一部です。メモは末尾にリストされている情報源からのものであり、私が持っている箇条書きの箇条書きではなく、より完全な説明が必要な場合は、それらのいくつかを読むことをお勧めします. 誤りがあれば訂正しますので、ご指摘ください。
意味 ：
例 1 : アトミック操作
異なるスレッドで使用される次の整数を考慮してください。
int X = 2;
int Y = 1;
int Z = 0;
Z = X; //Thread 1
X = Y; //Thread 2
上記の例では、2 つのスレッドが X、Y、および Z を使用しています。
例 2 : 非アトミック操作 : ++/-- 操作
インクリメント/デクリメント式を考えてみましょう:
i++; //increment
i--; //decrement
操作は次のように変換されます。
例 3 - 非アトミック操作: 4 バイトを超える値
struct MyLong { public readonly int low; public readonly int high; public MyLong(int low, int high) { this.low = low; this.high = high; } }
タイプ MyLong の特定の値を持つフィールドを作成します。
MyLong X = new MyLong(0xAAAA, 0xAAAA); MyLong Y = new MyLong(0xBBBB, 0xBBBB); MyLong Z = new MyLong(0xCCCC, 0xCCCC);
スレッド セーフを使用せずに、別のスレッドでフィールドを変更します。
X = Y; //Thread 1 Y = X; //Thread 2
.NET では、値の型をコピーするときに、CLR はコンストラクターを呼び出さず、一度に 1 つのアトミック操作でバイトを移動します。
次の操作の実行順序を考慮してください。
X.low = Y.low; //Thread 1 - X = 0xAAAABBBB Y.low = Z.low; //Thread 2 - Y = 0xCCCCBBBB Y.high = Z.high; //Thread 2 - Y = 0xCCCCCCCC X.high = Y.high; //Thread 1 - X = 0xCCCCBBBB <-- corrupt value for X
何らかのロックを追加して操作をアトミックにすることなく、32 ビット オペレーティング システム上の複数のスレッドで 32 ビットを超える値を読み書きすると、上記のようにデータが破損する可能性があります。
プロセッサ操作
最新のすべてのプロセッサでは、自然に整列されたネイティブ型の読み取りと書き込みは、次の限りアトミックであると想定できます。
x86 および X64 では、8 バイトを超える読み取りと書き込みがアトミックであるという保証はありません。
言語の違い
C#
using System.Threading; int unsafeCount; int safeCount; unsafeCount++; Interlocked.Increment(ref safeCount);
C++
struct AtomicCounter
{std::atomic< int> value; void increment(){ ++value; } void decrement(){ --value; } int get(){ return value.load(); }}
ジャワ
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class Counter { private AtomicInteger value= new AtomicInteger(); public int increment(){ return value.incrementAndGet(); } public int getValue(){ return value.get(); } }
原子はギリシャ語の ἄτομος (atomos) に由来し、「分割できない」を意味します。 (注意: 私はギリシャ語を話せないので、本当は別の意味かもしれませんが、語源を挙げているほとんどの英語話者はこのように解釈しています。:-)
コンピューティングでは、これは操作が発生することを意味します。完了する前に目に見える中間状態はありません。そのため、CPU がハードウェア (IRQ) にサービスを提供するために中断された場合、または別の CPU が同じメモリを読み取っている場合、結果には影響しません。これらの他の操作は、完了または開始されていないことを観察します。
例として...変数を何かに設定したいとしましょう。ただし、それが以前に設定されていない場合のみです。あなたはこれをする傾向があるかもしれません:
if (foo == 0)
{
foo = some_function();
}
しかし、これを並行して実行するとどうなるでしょうか。プログラムが fetchを実行fooし、それをゼロと見なしている間に、スレッド 2 が来て同じことを行い、値を何かに設定する可能性があります。元のスレッドに戻ると、コードはまだfooゼロであると考えており、変数が 2 回割り当てられています。
このような場合、CPU は、アトミック エンティティとして比較と条件付き割り当てを実行できるいくつかの命令を提供します。したがって、テストと設定、比較と交換、およびロードリンク/ストア条件。これらを使用してロックを実装できます (OS と C ライブラリがこれを行っています)。または、プリミティブに依存して何かを行う 1 回限りのアルゴリズムを作成することもできます。(ここにはクールなことが行われていますが、ほとんどの単なる人間は、間違いを犯すことを恐れてこれを避けています。)
原子性は、共有リソースを含む任意の形式の並列処理 (さまざまなアプリケーションの連携またはデータの共有を含む) がある場合の重要な概念です。
問題は例でよく説明されています。ファイルを作成する 2 つのプログラムがあるとしますが、そのファイルがまだ存在しない場合に限られます。2 つのプログラムのいずれでも、いつでもファイルを作成できます。
もしそうなら（あなたの例にあるので、私はCを使います）：
...
f = fopen ("SYNCFILE","r");
if (f == NULL) {
f = fopen ("SYNCFILE","w");
}
...
読み取り用に開いてから書き込み用に開いている間に、他のプログラムがファイルを作成していないことを確認することはできません。
自分でこれを行う方法はありません。通常、この目的のために同期プリミティブを提供するオペレーティング システム、またはアトミックであることが保証されている別のメカニズム (たとえば、ロック操作がアトミックであるリレーショナル データベース、またはプロセッサの「テストおよび設定」命令のような低レベルのメカニズム)。
原子性は OS によってのみ保証されます。OS は、基盤となるプロセッサ機能を使用してこれを実現します。
したがって、独自の testandset 関数を作成することは不可能です。(インライン asm スニペットを使用して、testandset ニーモニックを直接使用できるかどうかはわかりませんが (このステートメントは OS 特権でのみ実行できる可能性があります))
編集: この投稿の下のコメントによると、ASM ディレクティブを直接使用して独自の「bittestandset」関数を作成することが可能です (インテル x86 上)。ただし、これらのトリックが他のプロセッサでも機能するかどうかは明らかではありません。
私は私の主張を支持します：あなたがアトモイックなことをしたいのなら、OSの機能を使い、自分でやらないでください