7.5 多CPU下关键区段的实现

7.5.1 多CPU环境下的实现方式

在多CPU（比如对称多处理SMP）环境下，情况要稍微复杂一些，因为不但要考虑在单CPU下可能发生的问题（线程竞争、中断竞争），还要考虑多个CPU的并发竞争问题。因此，仅仅采用关闭中断的方式来实现关键区段，已经不能满足要求。

这种情况下，一种可行的解决方案就是，为每个需要保护的全局数据结构设置一个保护标志，对这些全局数据进行修改时，首先检测该保护标志，如果该保护标志没有被设置（说明没有其他线程正在修改数据），再设置该保护标志，并进入修改数据的关键代码段，完成修改（即在关键代码段的最后）恢复该保护标志。如果试图修改全局数据的线程检测到保护标志被设置，则进入等待状态（忙等待），直到检测到该标志被释放（清除）为止。上述过程，可以采用伪代码进行如下描述：

    disable interrupt;              //Disable interrupt first.
    while(protecting flags==1);  //Waiting.
    Protecting flags=1;           //Set this flags, get lock.
    Modify global data structures;
    Protecting flags=0;           //Clear flags, release lock.
    Enable interrupt.

假设有两个线程A和B都试图修改同一个全局变量，A在修改前先禁止中断（这样就可以确保在A运行的CPU上不会发生线程切换和中断），然后检测全局变量的保护标志，由于此时没有其他线程在修改该全局变量，所以保护标志处于清除（空闲）状态，于是A设置保护标志为1（占有状态），并开始修改全局数据。

此时，线程B也试图修改全局数据，并执行跟A相同的过程：首先禁止本地中断（B所在的CPU的中断），然后检测保护标志，但这时候A正在修改全局数据，并已经设置了保护标志为1（占有状态），所以会导致线程B将一直处于检测状态（忙等待）。

当A完成对全局数据的修改后，恢复保护标志为0（释放保护标志），这时候，线程B会检测到保护标志被释放（线程B一直在检测该标志），于是线程B重新获得该标志，进入修改全局数据的过程。可以看出，采用这种方式可以很好地完成多个线程之间的同步。

细心的读者会发现，上述过程仍然是存在问题的。假设线程A在检测到保护标志空闲但还没有完成设置的时候，线程B也刚好执行到这里，发现保护标志空闲（因为A还没有完成设置），于是B也认为没有其他线程正在修改全局数据，这样就产生不一致了，A和B会同时进入修改全局数据的过程。

产生上述问题的原因，就是对保护标志的检测和设置是分开执行的，而不是作为一个整体的操作。解决上述问题单靠软件是不行的，需要靠CPU的支持，即需要CPU提供一种能够在一个原子操作内完成上述工作（检测和设置）的指令，这种指令就是有名的testing-and-setting指令。在Intel CPU中，可以采用BTS指令完成上述过程。

BTS指令的格式为：

BTS bitstr, bitoffset

其中，bitstr是一个bit串，而bitoffset则是一个偏移，指出了bitstr中的一个bit。该指令首先把bitstr中的第bitoffset个bit保存在EFLAGS寄存器的CF位中，然后设置bitstr中的第bitoffset个bit为1。所有这些操作都是原子的，即在操作的过程中不会发生中断（中断只是在指令的边界被引发）。在多CPU的环境下，可以在该指令的前面加上一个总线锁定指示符（LOCK），在该指令执行的时候锁定总线，这样在该指令执行的过程中，其他CPU也无法中断。在操作系统的实现中，采用该指令完成多个CPU之间的同步。

下面是用该指令完成保护的过程：

__TRY_AGAIN:
    LOCK BTS flags,0
    JC __TRY_AGAIN
    CRITICAL CODE

其中flags是保护全局数据的标记，BTS指令把flags中的第一个比特（比特0），读入CF标记位，然后设置flags的第一个bit为1。JC指令判断EFLAGS寄存器的CF标志是否为1，如果为1，则跳转到__TRY_AGAIN标号处执行，这样如果原来flags的第一bit为1（被占用），则上述指令会一直循环，如果一旦另外一个线程清除了flags的第一个bit（释放锁），则上述代码会检测到这个改变，然后进入CRITICAL CODE段执行。可以看出，上述过程就是一个不断检测并加锁的过程。LOCK指示符指示CPU在执行BTS指令的时候，锁住总线，这样就实现了多CPU下的原子操作。

保护标记的释放操作十分简单，只需要使用适当的指令清除保护标记的相关bit即可，在此不再详述。

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