Windows 10临界区自旋锁中多次内存读写指令的作用探究

我正在逆向分析Windows 10的EnterCriticalSection函数，发现了一段有趣的自旋循环：

lbl_loop:

mov     ecx, [rsp+60h]
mov     ecx, [rsp+60h]
mov     ecx, [rsp+60h]
pause
mov     ecx, [rsp+60h]
inc     ecx
mov     [rsp+60h], ecx

cmp     ecx, eax
jb      lbl_loop

我的问题是：在该循环中4次读取[rsp+60h]后再写回的目的是什么？为何不能采用如下更简洁的实现方式？

lbl_loop:

pause
inc     ecx

cmp     ecx, eax
jb      lbl_loop

mov     [rsp+60h], ecx

注：这是Windows 10的正式发行版本，EnterCriticalSection函数的其余部分均经过优化，并非调试版本。

多读取操作的核心目的 #

这段重复读取的代码是针对CPU硬件特性的针对性优化，核心围绕缓存一致性、乱序执行抑制两个关键点：

1. 缓存行预热与多核一致性同步
   多次读取[rsp+60h]是为了强制将该内存地址对应的缓存行加载到当前核心的L1/L2缓存中，同时通过MESI缓存一致性协议同步多核间的最新数据。自旋循环属于高频操作，提前预热缓存能大幅降低后续读写的延迟；而多次读取则确保当前核心拿到的是最新的缓存状态，避免因其他核心修改该地址导致的计数偏差。

2. 抑制CPU乱序执行
   现代CPU的乱序执行机制可能会将写操作提前执行，破坏计数逻辑的顺序性。多次读取操作会形成严格的内存依赖链，迫使CPU等待所有读取操作完成后，再执行后续的inc和写回操作，确保计数的准确性。

3. 配合pause指令的延迟调度
   pause指令会让CPU进入短暂的低功耗空闲状态，减少自旋循环对CPU资源的占用，同时降低内存总线的争抢频率。在pause前的三次读取相当于给缓存同步操作预留了足够的窗口，pause后的第四次读取则再次确认数据的最新状态，为后续的递增操作提供可靠的基础。

简化版本的问题 #

你给出的简化实现存在三个致命缺陷：

• 缓存一致性失效：循环中没有重新从内存读取[rsp+60h]，ecx寄存器的值可能是旧的缓存数据，多核环境下其他核心对该地址的修改无法同步到当前核心，直接导致计数错误。
• 乱序执行风险：直接递增ecx再比较，CPU可能会将写回内存的操作延迟，导致循环条件判断使用的是未更新的数值，破坏循环的终止逻辑。
• 初始值无效：循环开始时ecx没有从内存加载初始值，寄存器中的值是不确定的，完全无法保证计数逻辑的正确性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者c00000fd