如何在C中使用'cmpxchg8b'汇编指令实现原子比较和交换？

Question

我正在尝试实现无锁链表。 为此，我需要在C中使用内联汇编实现原子比较和交换指令。我确实知道我需要对x86使用cmpxchg8b指令，但是我无法做到这一点。

我的节点结构如下：

typedef struct node
{
    int data;
    struct node * next;
    struct node * backlink;
}node_lf;

struct node * next指针还在后2位（标记和标志位）中还包含其他信息

我需要实现的比较和交换是这样的：

node_lf *cs (cs_arg * address, cs_arg *old_val, cs_arg *new_val )
{
    node_lf *value = (address->node)->next;
    if ((address->node->next) == old_val->node)
    {
        (address->node)->next = new_val->node;
    }
    return value;
}

cs_arg结构如下：

typedef struct csArg
{
    node_lf * node;
}cs_arg;

我的实现：

static inline node_lf* cs(cs_arg * address, cs_arg *old_val, cs_arg *new_val)
{
    node_lf * value;
    __asm__ __volatile__("lock cmpxchg8b %0; "
                :"=q"(value)
                :"a"(address->node->next), "b"(old_val->node), "c"(new_val->node)
                :"memory");
    return value;
}

这给出了一条错误消息： ../list.c:86: Error: operand type mismatch for 'cmpxchg8b' make: *** [list.o] Error 1 : ../list.c:86: Error: operand type mismatch for 'cmpxchg8b' make: *** [list.o] Error 1

请帮我解决这个问题。

Answer 1

让我们一次迈出这一步。 首先，让我们尝试在一个简单的情况下使用__sync_val_compare_and_swap：

#include <stdio.h>

typedef struct node
 {
    int data;
    struct node * next;
    struct node * backlink;
 }node_lf;

int cs1(node_lf *address, int old_val, int new_val)
{
    int *p2 = &address->data;
    int p3 = __sync_val_compare_and_swap(p2, old_val, new_val);  

    return p3;
}

int main()
{
   node_lf n;

   n.data = 17;

   int res = cs1(&n, 1, 2);
   printf("Old Value: %d  Cur Value: %d\n", res, n.data);

   res = cs1(&n, 17, 2);
   printf("Old Value: %d  Cur Value: %d\n", res, n.data);
}

因此，这里的代码非常简单。 我们正在处理node.data。 我们首先将其初始化为17。然后尝试执行cas将其更改为2。但是，在第一个调用中，我们为oldval给出了不正确的值（1 vs 17）。 结果，__ sync_val_compare_and_swap（正确！）不会执行交换，但会返回当前值。 第二个调用确实给出了正确的旧值，但会执行交换并返回旧值。

因此，运行时得到：

Old Value: 17  Cur Value: 17 <- Didn't change the value
Old Value: 17  Cur Value: 2  <- Did change the value

很简单，但不是您想要的。 让我们更进一步：

#include <stdio.h>

typedef struct node
 {
    int data;
    struct node * next;
    struct node * backlink;
 }node_lf;

typedef struct csArg
{
    node_lf * node;
}cs_arg;

node_lf *cs2(node_lf *address, const cs_arg *old_val, const cs_arg *new_val)
{
    unsigned long long *p2 = (unsigned long long *)&address->next;
    unsigned long long p3 = __sync_val_compare_and_swap (p2, (unsigned long long)old_val->node, (unsigned long long)new_val->node);  

    return (node *)p3;
}

int main()
{
   node_lf n;
   cs_arg oldval, newval;

   n.next = (node *)18;
   oldval.node = (node *)1;
   newval.node = (node *)2;

   node *res2 = cs2(&n, &oldval, &newval);
   printf("Old Value: %p  Cur Value: %p\n", res2, n.next);

   oldval.node = (node *)18;
   res2 = cs2(&n, &oldval, &newval);
   printf("Old Value: %p  Cur Value: %p\n", res2, n.next);
}

在这种情况下，我们尝试通过使用2个cs_args中的节点来更新node.next。 这里主要要注意的是，由于__sync_val_compare_and_swap适用于整数类型，因此我们需要将指针转换为适当大小的int。 这里的假设是我们使用的是64位编译器，因此指针为8个字节（与unsigned long long相同）。

此处实际上并不需要使用cs_arg结构。 使用node *应该可以正常工作。 但是您使用了它，因此大概这里有一些长期计划。

运行它，我们看到：

Old Value: 0000000000000012  Cur Value: 0000000000000012  <- Didn't change the value
Old Value: 0000000000000012  Cur Value: 0000000000000002  <- Did change the value

请注意，如果运行的是x64，则可以将其最多增加16个字节（使用__int128和cmpxchg16b）。 但是，有一些技巧需要注意。 例如，数据必须是16字节对齐的（node.next不是NOT）。

现在，完成所有这些操作后，您对“需要将address-> node-> next的旧值作为返回值”的要求似乎令人怀疑。 查看上面的代码，如何判断cas是否失败？ 如果成功，则返回18，如果失败，则返回18。由于这就是您所说的那样，所以这就是我试图提供的。

但我认为您确实想知道它是否有效（可能是为了再试一次）。 这样的话，也许更像这样：

#include <stdio.h>

typedef struct node
 {
    int data;
    struct node * next;
    struct node * backlink;
 }node_lf;

bool cs2(node_lf *address, const node *old_val, const node *new_val)
{
    unsigned long long *p2 = (unsigned long long *)&address->next;
    return __sync_bool_compare_and_swap (p2, (unsigned long long)old_val, (unsigned long long)new_val);
}

int main()
{
   node_lf n;
   node *oldval, *newval;

   n.next = (node *)18;
   oldval = (node *)1;
   newval = (node *)2;

   bool res2;

   do {

      printf("Trying to change %p from %p to %p: ", n.next, oldval, newval);
      res2 = cs2(&n, oldval, newval);
      printf("Worked: %d  Cur Value: %p\n", res2, n.next);
      if (res2)
         break;

      oldval = n.next;
   } while (1);
}

当您退出循环时，oldval将是之前的内容（必须存在或cas会失败），newval将是实际写入的内容。 请注意，如果这确实是多线程的，则不能保证newval与n.next相同，因为另一个线程可能已经出现并再次对其进行了更改。

尽管使用汇编程序可以为您节省一条或两条指令，但在可读性，可维护性，可移植性等方面的优势几乎可以肯定是值得的。

除非这是班级项目，否则老师需要嵌入式asm。 在这种情况下，请查看https://stackoverflow.com/a/37825052/2189500 。