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OpenMP 原子指令设计与实现
前言
在本篇文章当中次要与大家分享一下 openmp 当中的原子指令 atomic，剖析 #pragma omp atomic 在背地到底做了什么，编译器是如何解决这条指令的。
为什么须要原子指令
退出当初有两个线程别离执行在 CPU0 和 CPU1，如果这两个线程都要对同一个共享变量进行更新操作，就会产生竞争条件。如果没有爱护机制来防止这种竞争，可能会导致后果谬误或者程序解体。原子指令就是解决这个问题的一种解决方案，它可能保障操作的原子性，即操作不会被打断或者更改。这样就能保障在多线程环境下更新共享变量的正确性。
比方在上面的图当中，两个线程别离在 CPU0 和 CPU1 执行 data++ 语句，如果目前主存当中的 data = 1，而后依照图中的程序去执行，那么主存当中的 data 的最终值等于 2，然而这并不是咱们想要的后果，因为有两次加法操作咱们心愿最终在内存当中的 data 的值等于 3，那么有什么办法可能保障一个线程在执行 data++ 操作的时候上面的三步操作是原子的嘛（不能够宰割）：
- Load data : 从主存当中将 data 加载到 cpu 的缓存。
- data++ : 执行 data + 1 操作。
- Store data : 将 data 的值写回主存。
事实上硬件就给咱们提供了这种机制，比方 x86 的 lock 指令，在这里咱们先不去探讨这一点，咱们将在后文当中对此进行认真的剖析。
OpenMP 原子指令
在 openmp 当中 #pragma omp atomic 的表达式格局如下所示：
#pragma omp atomic
表达式;其中表达式能够是一下几种模式：
x binop = 表达式;
x++;
x--;
++x;
--x;二元运算符 binop 为 ++，–，+，-，*，/，&，^，|，>>，<< 或 ||，x 是根本数据类型 int，short，long，float 等数据类型。
咱们当初来应用一个例子相熟一下下面锁谈到的语法：
#include <stdio.h>
#include <omp.h>
int main()
{
int data = 1;
#pragma omp parallel num_threads(4) shared(data) default(none)
{
#pragma omp atomic
data += data * 2;
}
printf("data = %d\n", data);
return 0;
}下面的程序最终的输入后果如下：
data = 81下面的 data += data * 2，相当于每次操作将 data 的值扩充三倍，因而最终的后果就是 81。
原子操作和锁的区别
OpenMP 中的 atomic 指令容许执行无锁操作，而不会影响其余线程的并行执行。这是通过在硬件层面上实现原子性实现的。锁则是通过软件来实现的，它阻塞了其余线程对共享资源的拜访。
在抉择应用 atomic 或锁时，应该思考操作的复杂性和频率。对于简略的操作和高频率的操作，atomic 更加高效，因为它不会影响其余线程的并行执行。然而，对于简单的操作或者须要多个操作来实现一个工作，锁可能更加适合。
原子操作只可能进行一些简略的操作，如果操作简单的是没有原子指令进行操作的，这一点咱们在后文当中具体谈到，如果你想要原子性的是一个代码块的只可能应用锁，而应用不了原子指令。
深刻分析原子指令——从汇编角度
加法和减法原子操作
咱们当初来仔细分析一下上面的代码的汇编指令，看看编译器在背地为咱们做了些什么：
#include <stdio.h>
#include <omp.h>
int main()
{
int data = 0;
#pragma omp parallel num_threads(4) shared(data) default(none)
{
#pragma omp atomic
data += 1;
}
printf("data = %d\n", data);
return 0;
}首先咱们须要理解一点编译器会将并行域的代码编译成一个函数，咱们当初看看下面的 parallel 并行域的对应的函数的的汇编程序：
0000000000401193 <main._omp_fn.0>:
401193: 55 push %rbp
401194: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
401197: 48 89 7d f8 mov %rdi,-0x8(%rbp)
40119b: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax
40119f: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
4011a2: f0 83 00 01 lock addl $0x1,(%rax) # 这就是编译进去的原子指令——对应 x86 平台
4011a6: 5d pop %rbp
4011a7: c3 retq
4011a8: 0f 1f 84 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
4011af: 00 在下面的汇编代码当中最终的一条指令就是 lock addl $0x1,(%rax)，这条指令便是编译器在编译 #pragma omp atomic 的时候将 data += 1 转化成硬件的对应的指令。咱们能够留神到和一般的加法指令的区别就是这条指令后面有一个 lock，这是通知硬件在指令 lock 前面的指令的时候须要保障指令的原子性。
以上就是在 x86 平台下加法操作对应的原子指令。咱们当初将下面的 data += 1，改成 data -= 1，在来看一下它对应的汇编程序：
0000000000401193 <main._omp_fn.0>:
401193: 55 push %rbp
401194: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
401197: 48 89 7d f8 mov %rdi,-0x8(%rbp)
40119b: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax
40119f: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
4011a2: f0 83 28 01 lock subl $0x1,(%rax)
4011a6: 5d pop %rbp
4011a7: c3 retq
4011a8: 0f 1f 84 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
4011af: 00 能够看到它和加法指令的次要区别就是 addl 和 subl，其余的程序是一样的。
乘法和除法原子操作
咱们当初将上面的程序进行编译：
#include <stdio.h>
#include <omp.h>
int main()
{
int data = 1;
#pragma omp parallel num_threads(4) shared(data) default(none)
{
#pragma omp atomic
data *= 2;
}
printf("data = %d\n", data);
return 0;
}下面代码的并行域被编译之后的汇编程序如下所示：
0000000000401193 <main._omp_fn.0>:
401193: 55 push %rbp
401194: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
401197: 48 89 7d f8 mov %rdi,-0x8(%rbp)
40119b: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax
40119f: 48 8b 08 mov (%rax),%rcx
4011a2: 8b 01 mov (%rcx),%eax
4011a4: 89 c2 mov %eax,%edx
4011a6: 8d 34 12 lea (%rdx,%rdx,1),%esi # 这条语句的含意为 data *= 2
4011a9: 89 d0 mov %edx,%eax
4011ab: f0 0f b1 31 lock cmpxchg %esi,(%rcx)
4011af: 89 d6 mov %edx,%esi
4011b1: 89 c2 mov %eax,%edx
4011b3: 39 f0 cmp %esi,%eax
4011b5: 75 ef jne 4011a6 <main._omp_fn.0+0x13>
4011b7: 5d pop %rbp
4011b8: c3 retq
4011b9: 0f 1f 80 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax)咱们先不认真去剖析下面的汇编程序，咱们先来看一下下面程序的行为：
- 首先加载 data 的值，保留为 temp，这个 temp 的值保留在寄存器当中。
- 而后将 temp 的值乘以 2 保留在寄存器当中。
- 最初比拟 temp 的值是否等于 data，如果等于那么就将 data 的值变成 temp，如果不相等（也就是说有其余线程更改了 data 的值，此时不能赋值给 data）回到第一步，这个操作次要是基于指令
cmpxchg。
下面的三个步骤当中第三步是一个原子操作对应下面的汇编指令 lock cmpxchg %esi,(%rcx)，cmpxchg 指令后面加了 lock 次要是保留这条 cmpxchg 指令的原子性。
如果咱们将下面的汇编程序应用 C 语言重写的话，那么就是上面的程序那样：
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdatomic.h>
// 这个函数对应下面的汇编程序
void atomic_multiply(int* data)
{
int oldval = *data;
int write = oldval * 2;
// __atomic_compare_exchange_n 这个函数的作用就是
// 将 data 指向的值和 old 的值进行比拟，如果相等就将 write 的值写入 data
// 指向的内存地址 如果操作胜利返回 true 否则返回 false
while (!__atomic_compare_exchange_n (data, &oldval, write, false,
__ATOMIC_ACQUIRE, __ATOMIC_RELAXED))
{
oldval = *data;
write = oldval * 2;
}
}
int main()
{
int data = 2;
atomic_multiply(&data);
printf("data = %d\n", data);
return 0;
}当初咱们在来仔细分析一下下面的汇编程序，首先咱们须要认真理解一下 cmpxchg 指令，这个指令在下面的汇编程序当中的作用是比拟 eax 寄存器和 rcx 寄存器指向的内存地址的数据，如果相等就将 esi 寄存器的值写入到 rcx 指向的内存地址，如果不想等就将 rcx 寄存器指向的内存的值写入到 eax 寄存器。
通过了解下面的指令，在 cmpxchg 指令之后的就是查看是否 esi 寄存器的值写入到了 rcx 寄存器指向的内存地址，如果是则不执行跳转语句，否则指令回到地位 4011a6 从新执行，这就是一个 while 循环。
咱们在来看一下将乘法变成除法之后的汇编指令：
0000000000401193 <main._omp_fn.0>:
401193: 55 push %rbp
401194: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
401197: 48 89 7d f8 mov %rdi,-0x8(%rbp)
40119b: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax
40119f: 48 8b 08 mov (%rax),%rcx
4011a2: 8b 01 mov (%rcx),%eax
4011a4: 89 c2 mov %eax,%edx
4011a6: 89 d0 mov %edx,%eax
4011a8: c1 e8 1f shr $0x1f,%eax
4011ab: 01 d0 add %edx,%eax
4011ad: d1 f8 sar %eax
4011af: 89 c6 mov %eax,%esi
4011b1: 89 d0 mov %edx,%eax
4011b3: f0 0f b1 31 lock cmpxchg %esi,(%rcx)
4011b7: 89 d6 mov %edx,%esi
4011b9: 89 c2 mov %eax,%edx
4011bb: 39 f0 cmp %esi,%eax
4011bd: 75 e7 jne 4011a6 <main._omp_fn.0+0x13>
4011bf: 5d pop %rbp
4011c0: c3 retq
4011c1: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
4011c8: 00 00 00
4011cb: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)从下面的汇编代码当中的 cmpxchg 和 jne 指令能够看出除法操作应用的还是比拟并替换指令 (CAS) cmpxchg，并且也是应用 while 循环。
其实简单的表达式都是应用这个形式实现的：while 循环 + cmpxchg 指令，咱们就不一一的将其余的应用形式也拿进去一一解释了。简略的表达式能够间接应用 lock + 具体的指令实现。
总结
在本篇文章当中次要是深刻分析了 OpenMP 当中各种原子指令的实现原理以及剖析了他们对应的汇编程序，OpenMP 在解决 #pragma omp atomic 的时候如果可能应用原子指令实现需要那就间接应用原子指令，否则的话就应用 CAS cmpxchg 指令和 while 循环实现对应的需要。
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