RISC-V筆記——顯式同步

01、前言

RISC-V的RVWMO模型主要包含了preserved program order、load value axiom、atomicity axiom、progress axiom和I/O Ordering。今天主要記錄下preserved program order(保留程序順序)中的Explicit Synchronization(顯示同步)。

02、顯式同步

顯示同步指的是：a操作在程序順序中先于b操作，a和b都訪問常規(guī)主存，不是I/O區(qū)域，如果存在以下任何一個條件，那么a操作和b操作在全局內存順序中的順序也不會變。

a和b之間有FENCE指令。

a擁有acquire語義。

b擁有release語義。

a和b都有RCsc語義。

a和b是配對的。

關于第一點：默認情況下，F(xiàn)ENCE指令確保所有在程序順序中位于FENCE之前的指令的內存訪問（“前導集”）在全局內存順序中比在程序順序中位于FENCE之后的指令的內存訪問（“后續(xù)集”）出現(xiàn)得更早。不過，為了性能上的考量，F(xiàn)ENCE可以選擇性進一步地限制前導集和后續(xù)集為較小的內存訪問集。具體來說，F(xiàn)ENCE有PR、PW、SR和SW bits，它們限制了前導集和后續(xù)集所包含的指令類型。如果PR為1，那么前導集包括load；如果PW為1，那么前導集包含store；如果SR為1，那么后續(xù)集包括load；如果SW為1，那么后續(xù)集包括store。

FENCE中PR、PW、SR和SW這4bit可以組成16種FENCE語義，但不是每一種組合都有用的。其中有7中組合具有空的前導集或后續(xù)集，因此是無操作的。另外FENCE還有一個額外的編碼為FENCE.TSO，提供它主要是方便映射到“acquire+release”或RVTSO語義上。不過在這10(16-7+1)個選項中，只有下面6個在實踐中常用：

FENCE RW,RW

FENCE.TSO

FENCE RW,W

ENCE R,RW

·FENCE R,R

FENCE W,W

RISC-V手冊建議程序員只使用這6種FENCE指令，其他組合的FENCE指令可能不生效，而且會造成意外的結果。

關于第二點：通常在關鍵代碼的臨界區(qū)開始時使用acquire操作，要求在程序順序在acquire之后的load和store操作也要在全局內存順序上在acquire之后。這樣可以確保關鍵代碼臨界區(qū)內位于acquire操作之后的所有l(wèi)oad和store可以獲取最新的數(shù)據(jù)。Acquire操作排序可以通過兩種方式來實現(xiàn)。

使用acquire語義的指令：它只針對同步變量本身強制排序

使用FENCE R,RW：它針對之前的所有l(wèi)oad強制排序

如下代碼1使用第一種方案，因為amoswap使用了aq，所以臨界區(qū)的load和store保證出現(xiàn)于獲取鎖的amoswwap之后的全局內存順序中。然而a1和a2指向不同的內存位置，臨界區(qū)的load和store可能與它們亂序，也就是在全局內存順序中，它們之間的順序不是固定的。

如下代碼2使用第二種方案，在這種情況下，盡管amoswap不強制使用aq進行排序，但FENCE仍然強制amoswap在全局內存順序中出現(xiàn)的時間比臨界區(qū)中的所有l(wèi)oad和store都要早。但使用FENCE的一個副作用就是，F(xiàn)ENCE還強制執(zhí)行了額外的排序，它還要求程序開始時的a2不相關的load指令出現(xiàn)的時間要早于臨界區(qū)的load和store。因此，F(xiàn)ENCE命令比aq命令在排序上更強硬些，當然也更粗糙些。

關于第三點：Release排序和acquire排序的工作原理類似，只是排序的方向相反。Release語義要求在release操作程序順序之前的所有l(wèi)oad和store也要在全局內存順序上先于release操作。這樣可以確保在全局內存順序中，臨界區(qū)的內存訪問出現(xiàn)在release釋放鎖的store之前。就像acquire語義一樣，release語義可以通過兩種方式來實現(xiàn)：

使用帶release的指令

使用FENCE RW,W指令

例子就如同第二點中代碼1和代碼2。代碼1在關鍵代碼片段的末尾使用rl來確保順序，其中a3和a4與rl之間沒有固定關系，在全局內存順序上沒有固定順序。代碼2在關鍵片段的末尾使用FENCE RW,W來確保順序。

關于第四點：如果單獨使用RCpc語義，就不會強制store release到load acquire的順序，這有助于移植在TSO或RCpc內存模型下編寫的代碼。為了確保store release到load acquire的順序，代碼必須使用RCsc的語義。

關于第五點：在全局內存順序中，SC必須出現(xiàn)在與其配對的LR之后。由于固有的語法數(shù)據(jù)依賴，通常使用LR/SC來執(zhí)行原子讀-修改-寫操作。但其實即使store的值在語法上不依賴于成對LR返回的值，這一點也適用。