x86-64汇编实现自旋锁仅首个线程进入临界区问题咨询

问题原因 #

你的自旋锁实现存在两个核心错误，该现象和多核心下的缓存一致性机制直接相关：

1. 锁获取操作不具备原子性
   你使用shrb $1,.L0C_A1(%rip)作为锁的抢锁逻辑，这是典型的读-改-写（RMW）操作。x86架构下，普通RMW指令默认不会在多核心环境下保证原子性，多个线程可以同时读取到锁值为1的状态，分别移位后同时写回0，最终锁值变为0，但多个线程都认为自己抢到了锁，会引发临界区并发问题。
2. 自旋阶段存在写风暴
   你将带写操作的shrb直接放在自旋循环中，所有等待锁的线程会不断对锁所在的内存地址执行写操作。每个写操作都需要先获取对应缓存行的独占所有权，大量并发的RFO（所有权请求）会导致锁所在的缓存行在多个核心之间反复弹跳，不仅性能极低，还会导致持有锁的核心释放锁的写操作被长时间阻塞。甚至会出现锁刚被释放为1，就立刻被等待线程的shrb改写为0，由于原子性缺失，等待线程无法正确捕获到这次锁空闲的状态，最终表现为只有第一个线程能进入临界区。

为什么GDB断点后可以正常运行 #

当你在释放锁的指令处设置断点时，GDB会暂停所有线程的执行，你单步执行完movb $1,.L0C_A1后，锁已经被成功设置为1，此时再恢复所有线程运行，没有了持续的写操作争抢缓存行，线程可以正常读取到锁的空闲状态，因此可以正常抢锁进入临界区。

修复方案 #

1. 给RMW操作加lock前缀保证原子性 #

lock前缀会锁总线/锁缓存行，保证读改写操作的原子性，修改抢锁指令为：

lock shrb    $1,.L0C_A1(%rip)

2. 优化自旋逻辑，避免自旋阶段写操作 #

先通过只读判断检测锁是否空闲，只有锁空闲时再执行原子抢锁操作，大幅减少缓存行争抢：

func:
spin_wait:
    cmpb    $1, .L0C_A1(%rip)  # 只读判断锁是否空闲
    jne     spin_wait          # 锁被占用就继续自旋
    lock shrb $1,.L0C_A1(%rip) # 锁空闲时才尝试原子抢锁
    jnc     spin_wait          # 抢锁失败回到自旋阶段

    # 原有临界区代码不变
    movq    x(%rip),%rax

    xorl    %esi,%esi
    pushq   $10000000
    pushq   %rsi
    movq    %rsp,%rdi
    pushq   %rax
    leal    35(%rsi),%eax
    syscall                   # sleep 10 ms
    pop     %rax
    addq    $16,%rsp

    xorl    %edx,%edx
    mulq    %rax              # x = x * x
    movq    %rax,x(%rip)      # store new x
    movb    $1,.L0C_A1(%rip)  # leave critical section
    xorl    %eax,%eax
    ret

内容的提问来源于stack exchange，提问作者pajacol