ARM汇编编程（AArch64架构）课程 - 第9章：原子操作与同步

目录

• • 原子操作概述
  • 独占访问指令
  • • LDXR/STXR工作原理
    • 指令语法与示例
  • 自旋锁实现
  • • 基础自旋锁
    • 优化策略
  • ARMv8/v9同步扩展
  • 实战练习

原子操作概述

; 原子操作三大特性：
; 1. 不可分割性（Atomicity）
; 2. 可见性（Visibility）
; 3. 有序性（Ordering）

应用场景：

• 多核共享资源访问
• 计数器递增
• 标志位修改

---

独占访问指令

LDXR/STXR工作原理

Core Memory LDXR (加载独占) 返回当前值+标记独占区域 STXR (尝试存储) 返回状态（0=成功/1=失败） Core Memory

指令语法与示例

// 原子递增示例
atomic_inc:
    ldaxr   w1, [x0]       // 带Acquire语义的加载独占
    add     w1, w1, #1
    stlxr   w2, w1, [x0]   // 带Release语义的存储独占
    cbnz    w2, atomic_inc // 失败重试
    ret

关键变体：

指令	语义	屏障类型
LDXR	普通独占加载	无屏障
LDAXR	Acquire语义	加载屏障
STXR	普通独占存储	无屏障
STLXR	Release语义	存储屏障

---

自旋锁实现

基础自旋锁

// 使用LDXR/STXR实现
spin_lock:
    mov     w2, #1          // 锁值=1（上锁状态）
1:
    ldaxr   w1, [x0]        // 尝试获取锁
    cbnz    w1, 1b          // 非零表示已锁定，自旋
    stlxr   w1, w2, [x0]    // 尝试获取锁
    cbnz    w1, 1b          // 存储失败则重试
    dmb     ish             // 获取屏障
    ret

spin_unlock:
    dmb     ish             // 释放屏障
    stlr    wzr, [x0]       // 原子清零锁
    ret

优化策略

1. 指数退避：在自旋时增加延迟
2. 队列自旋锁：使用CLREX指令优化多核竞争
3. WFE指令：在自旋循环中加入低功耗等待

---

ARMv8/v9同步扩展

// ARMv8.1新增指令
cas x1, x2, [x0]  // 比较并交换（Compare and Swap）

// ARMv8.5的原子操作增强
ldapr x0, [x1]    // 单方向Acquire加载

---

实战练习

1. 实现带超时的自旋锁
2. 用原子操作构建无锁队列
3. 对比LDXR/STXR与CAS指令性能差异

注：所有示例代码需在QEMU或真实ARMv8开发板上验证