多核同步之临界区

本篇来说一下多核同步相关联的知识，原本这是位于滴水教程中驱动部分的内容，但实际上更偏向于同步的知识点，同步相关的内容会在APC更新完后再作更新。这里也算是简单的作个预习。

并发与同步

并发是指多个线程在同时执行：

单核（是分时执行，不是真正的同时）
多核（在某一个时刻，会同时有多个线程在执行）

同步则是保证在并发执行的环境中各个线程可以有序的执行

单行指令的同步

单行代码安全吗

有了并发与同步的概念，下面我们来看一个代码：

DWORD dwVal = 0;	//全局变量
....
....    
//某个线程中
dwVal++;		//这行代码安全吗？

dwVal是一个全局变量，在某个线程中，有一个对dwVal的值进行自增的代码。简要思考一下，这行代码安全吗？

实际上是不安全的，我们来看一下这行指令的反汇编：

Code

1
2
3

mov eax, [0x12345678]
add eax, 1
mov [0x12345678], eax

dwVal++这一条自增语句，对应了3条汇编指令，也就是说程序在执行dwVal++时，需要按照顺序执行3条汇编指令，才能实现这条语句的功能。

现在我们来考虑一种情况，线程A和线程B均要进行dwVal++这条指令，理想状态下，这两个线程执行完后，该全局变量的值会增加2。但是如果在线程A执行完第二条指令后，发生了线程切换，情况就会变的不一样了。参考如下代码：

Code

//线程A
mov eax, [0x12345678]
add eax, 1

//发生线程切换
//线程B
mov eax, [0x12345678]
add eax, 1
mov [0x12345678], eax

//发生线程切换
//线程A
mov [0x12345678], eax

根据推演出的情况，在线程A执行完第二条指令后，发生了线程切换，切换到了线程B，这样CPU执行的过程就会如上述代码所示，当两个线程执行完后，全局变量的值dwVal只会增加1，并不会增加2，结果和预期的并不一样。所以用单行代码对一个全局变量进行修改，是不安全的。

单行指令安全吗

既然单行代码不安全，那单行指令安全吗？参考如下汇编指令：

Code

1	inc dword ptr ds:[0x12345678] //一行汇编指令，安全吗?

这条汇编指令仅有一行，看上去不会出现上述的情况。即使线程发生切换了，也不会造成指令的重复执行。的确，在单核的情况下，这条指令是安全的，但是多核的情况下，还是有可能发生，不同线程同时执行这条指令的情况，所以这条指令并不安全。那如何才能在多核的情况下，依旧保证线程间的同步呢？那就需要用到下面介绍的这条指令了。

LOCK指令

我们只需要增加一个lock指令，就能让单条指令在多核的情况下做到同步，参考如下代码：

Code

1	lock inc dword ptr ds:[0x12345678]

lock指令有什么用呢？lock指令可以锁定当前指令执行时线程所访问的内存，上述代码执行时，会对0x12345678地址处的值进行修改，有了lock指令的限制，此时其它线程是不能访问或修改0x12345678地址处的值的，只有在这条指令执行完后，其余线程才可以对此地址的值进行访问或者修改。这样就避免了多核情况下，不同线程同时修改此地址处的值的情况。

像上面这样通过Lock指令进行限制，从而不可被中断的操作叫做原子操作。Windows提供了一部分API（主要位于Kernel32.dll和Ntdll.dll）供用户使用从而保证在多核情况下的线程同步。

//原子操作相关的API：
InterlockedIncrement			InterlockedExchangeAdd
InterlockedDecrement			InterlockedFlushSList		
InterlockedExchange			InterlockedPopEntrySList
InterlockedCompareExchange		InterlockedPushEntrySList

InterlockedIncrement

下面我们分析Windows提供的原子函数InterlockedIncrement，来理解一下这种同步的实现的本质：

IDA打开Kernel32.dll，搜索InterlockedIncrement便可找到，这是一个导出函数。

Code

_asm {
	mov     ecx, [esp+lpAddend]
	mov     eax, 1
	lock xadd [ecx], eax
	inc     eax
	retn    4
}

这个代码非常简单，一共就5行，我们逐行分析：

将需要修改的变量（往往是个全局变量，它的地址会作为参数传入InterlockedIncrement函数）的地址赋给ecx，此时可以通过[ecx]访问该变量的值
给eax赋值1
这行指令分为两部分看，第一部分是lock，我们已经知道，它用来锁住内存；另一部分核心在于xadd指令，该指令接收2个参数，先交换两个操作数的值，再进行算术加法操作。可以按下述伪代码理解：
c
1
2
3
4
5
DWORD　temp;
temp = [ecx];
[ecx] = eax;
eax = temp;
[ecx] += eax;
这一步对eax自增1，此时eax和[ecx]的值相同，eax可以起到返回值的作用（尽管已经完成对[ecx]值的修改）
平衡堆栈并返回

分析完后就很好理解InterlockedIncrement函数了，本质上就是用lock指令完成一个原子操作以保证多核状态下的线程同步。

小节

这下，我们对于单行指令的同步已经理解到位了，只需在指令前加上lock，就可以保证这条指令执行期间，不会有其它线程访问当前指令访问的内存。下面我们来学习一下多行指令的同步概念。

多行指令的同步

多行指令原子操作

如果有多行指令要求原子操作，单独加lock可行吗？观察如下代码：

Code

_asm {
	lock inc dword ptr ds:[0x12345678]
	lock inc dword ptr ds:[0x23456789]
	lock inc dword ptr ds:[0x3456789A]
}

答案是不可行，lock指令锁住的是内存，线程该切换还是切换，例如线程A在对0x12345678地址上的值进行修改时，发生了线程切换，尽管线程B此时并不能对0x12345678上的值进行修改，但是可以对0x3456789A地址上的值进行修改，如果这时又发生线程切换，切了回去，线程B甚至可以把线程A锁住，不让线程A去修改0x3456789A地址处的值。这样还是没有办法保证，对于这3行指令进行原子操作。这时，就需要引入一个新的概念，临界区。

临界区

可以设置一个临界区，一次只允许一个线程进入直到离开，从而保证线程的同步（这里的临界区指的是广义的临界区，各个操作系统根据临界区的思想都有各自的实现，后面也会学习到Windows提供的临界区实现）参考如下代码：

DWORD dwFlag = 0;		//实现临界区的方式就是加锁
				//锁：全局变量  进去加一 出去减一

if(dwFlag  == 0)		//进入临界区	
{	
	dwFlag   = 1	
	.......
	.......
	.......
		
	dwFlag   = 0		//离开临界区
}

该代码使用一个全局变量定义了一个锁，这是一个用来进入临界区的锁，当锁为0时，即可进入临界区，进入临界区去，将锁的值修改为1，这样别的线程就无法再进入临界区了。此时临界区中执行的代码可以看作原子操作。理论上可以解决多行指令的多核同步问题。

不过我们再仔细观察一遍这个代码，其实是有问题的，考虑一种情况，在进入临界区后，如果dwFlag = 1这条指令还没有执行，此时发生了线程切换，这时，切换后的新线程也可以进入临界区，这样临界区的作用就失效了。

所以，我们可以换一种方式，先修改锁的值，然后再进入临界区，参考如下伪代码：

Code

//定义全局变量
Flag = 0;

//进入临界区
Lab：
	mov eax,1
	//多核情况下必须加lock
	lock xadd [Flag],eax
	cmp eax,0
	jz endLab
	dec [Flag]
	//线程等待Sleep..
	jmp Lab

//临界区内部
endLab:
	ret
	
//离开临界区
lock dec [Flag]

这份伪代码提供了一个新的思路，在进入临界区之前，先判断锁的值，若达到进入临界区的条件，则先修改锁的值，再进入临界区；若条件不符合，则调用sleep()函数，进行线程等待。一段时间后，在跳回进入临界区的地方重新判断。在线程退出临界区后，再通过原子操作还原锁的值。

小结：临界区可以通过添加全局变量的方式实现。

总结

lock指令可以实现单条指令的多核同步
临界区可以实现多行指令的多核同步

参考链接

参考教程：https://www.bilibili.com/video/av68700135?p=64

参考文章：https://blog.csdn.net/qq_41988448/article/details/103585673