提升自旋锁spinlock的性能-pause指令

看源码的时候get的一个新的知识点,可以提升自旋锁spinlock的性能-pause指令,看到的源码如下:

     #define cpu_pause()         __asm__ (".byte 0xf3, 0x90")
     #define NOP_CPU3(n)     {int i = 0; while(i++ < (n)) cpu_pause();} 
     // 调用代码
     NOP_CPU3(20);

经过上网查找资料 _asm_ (“.byte 0xf3, 0x90”) intel的pause指令。当spinlock执行lock()获得锁失败后会进行busy loop,不断检测锁状态,尝试获得锁。这么做有一个缺陷:频繁的检测会让流水线上充满了读操作。另外一个线程往流水线上丢入一个锁变量写操作的时候,必须对流水线进行重排,因为CPU必须保证所有读操作读到正确的值。流水线重排十分耗时,影响lock()的性能。

参考这位同学的文章:
自旋锁spinlock剖析与改进

Pause指令解释(from intel):

Description
Improves the performance of spin-wait loops. When executing a “spin-wait loop,” a Pentium 4 or Intel Xeon processor suffers a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The processor uses this hint to avoid the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops.

提升spin-wait-loop的性能,当执行spin-wait循环的时候,笨死和小强处理器会因为在退出循环的时候检测到memory order violation而导致严重的性能损失,pause指令就相当于提示处理器哥目前处于spin-wait中。在绝大多数情况下,处理器根据这个提示来避免violation,藉此大幅提高性能,由于这个原因,我们建议在spin-wait中加上一个pause指令。

名词解释(以下为本人猜想):memory order violation,直译为-内存访问顺序冲突,当处理器在(out of order)乱序执行的流水线上去内存load某个内存地址的值(此处是lock)的时候,发现这个值正在被store,而且store本身就在load之前,对于处理器来说,这就是一个hazard,流水流不起来。

在本文中,具体是指当一个获得锁的工作线程W从临界区退出,在调用unlock释放锁的时候,有若干个等待线程S都在自旋检测锁是否可用,此时W线程会产生一个store指令,若干个S线程会产生很多load指令,在store之后的load指令要等待store在流水线上执行完毕才能执行,由于处理器是乱序执行,在没有store指令之前,处理器对多个没有依赖的load是可以随机乱序执行的,当有了store指令之后,需要reorder重新排序执行,此时会严重影响处理器性能,按照intel的说法,会带来25倍的性能损失。Pause指令的作用就是减少并行load的数量,从而减少reorder时所耗时间。

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