MIPS中LL/SC指令介绍

注：本文主要参考了IBM的《Linux 的 Spinlock 在 MIPS 多核处理器中的设计与实现》一文，需要更详细的关于spinlock的实现可以看前述文章。

在多线程程序中，为了实现对共享变量的互斥访问，一般都会用spinlock实现，而spinlock需要一个TestAndSet的原子操作。而这种原子操作是需要专门的硬件支持才能完成的，在MIPS中，是通过特殊的Load，Store操作LL（Load Linked，链接加载）以及SC（Store Conditional，条件存储）完成的。

LL 指令的功能是从内存中读取一个字，以实现接下来的 RMW（Read-Modify-Write） 操作；SC 指令的功能是向内存中写入一个字，以完成前面的 RMW 操作。LL/SC 指令的独特之处在于，它们不是一个简单的内存读取/写入的函数，当使用 LL 指令从内存中读取一个字之后，比如 LL d, off(b)，处理器会记住 LL 指令的这次操作（会在 CPU 的寄存器中设置一个不可见的 bit 位），同时 LL 指令读取的地址 off(b) 也会保存在处理器的寄存器中。接下来的 SC 指令，比如 SC t, off(b)，会检查上次 LL 指令执行后的 RMW 操作是否是原子操作（即不存在其它对这个地址的操作），如果是原子操作，则 t 的值将会被更新至内存中，同时 t 的值也会变为1，表示操作成功；反之，如果 RMW 的操作不是原子操作（即存在其它对这个地址的访问冲突），则 t 的值不会被更新至内存中，且 t 的值也会变为0，表示操作失败。

SC 指令执行失败的原因有两种：

• 在 LL/SC 操作序列的过程中，发生了一个异常（或中断），这些异常（或中断）可能会打乱 RMW 操作的原子性。
• 在多核处理器中，一个核在进行 RMW 操作时，别的核试图对同样的地址也进行操作，这会导致 SC 指令执行的失败。

在IBM的那篇文章中，并没有说明SC是如何实现RMW是否有冲突的操作的。在一般实现中，处理器有两个专门的域给LL和SC指令，即上文中的“不可见的bit位”以及保存ll操作地址的“寄存器”。再LL之后，处理器会监测各种事件，当发生异常或者有别的处理器对该地址发了invalid请求时，会将不可见的bit位重置，从而导致后面的SC失败。

由于这样的bit位只有一位，存ll的寄存器也只有一个，因此，LL/SC无法实现嵌套，也即无法实现嵌套锁，这是程序员使用LL/SC所需要注意的。

原文见：http://www.sigma.me/tag/ll