為了實現線程間同步，一般都要在執行關鍵代碼段之前加互斥（Mutex）鎖，且在執行完關鍵代碼段之后解鎖。為了實現所謂的互斥鎖的概念，一般都需要所在平臺提供支持。

在計算機領域里，如果要在多線程的情況下要保持數據的同步，需要引入稱作Load-Link（LL）和Store-Conditional（SC）的操作，通常簡稱為LL/SC。LL操作返回一個內存地址上當前存儲的值，后面的SC操作，會向這個內存地址寫入一個新值，但是只有在這個內存地址上存儲的值，從上個LL操作開始直到現在都沒有發生改變的情況下，寫入操作才能成功，否則都會失敗。這個操作非常重要，是很多平臺實現基本原子操作的基礎。 對于ARM平臺來說，也在硬件層面上提供了對LL/SC的支持，LL操作用的是LDREX指令，SC操作用的是STREX指令。

本文主要用來說明ARM平臺上特有的獨占訪問指令LDREX和STREX的工作原理，以及如何使用。而它們也是ARM平臺上，實現互斥鎖等線程同步工具的基礎。

我們先來看看LDREX和STREX兩條指令的語義。其實LDREX和STREX指令，是將單純的更新內存的原子操作分成了兩個獨立的步驟。

1）LDREX用來讀取內存中的值，并標記對該段內存的獨占訪問：

LDREX Rx, [Ry]

上面的指令意味著，讀取寄存器Ry指向的4字節內存值，將其保存到Rx寄存器中，同時標記對Ry指向內存區域的獨占訪問。

如果執行LDREX指令的時候發現已經被標記為獨占訪問了，并不會對指令的執行產生影響。

2）而STREX在更新內存數值時，會檢查該段內存是否已經被標記為獨占訪問，并以此來決定是否更新內存中的值：

STREX Rx, Ry, [Rz]

如果執行這條指令的時候發現已經被標記為獨占訪問了，則將寄存器Ry中的值更新到寄存器Rz指向的內存，并將寄存器Rx設置成0。指令執行成功后，會將獨占訪問標記位清除。

而如果執行這條指令的時候發現沒有設置獨占標記，則不會更新內存，且將寄存器Rx的值設置成1。

一旦某條STREX指令執行成功后，以后再對同一段內存嘗試使用STREX指令更新的時候，會發現獨占標記已經被清空了，就不能再更新了，從而實現獨占訪問的機制。

大致的流程就是這樣，但是ARM內部為了實現這個功能，還有不少復雜的情況要處理。

在ARM系統中，內存有兩種不同且對立的屬性，即共享（Shareable）和非共享（Non-shareable）。共享意味著該段內存可以被系統中不同處理器訪問到，這些處理器可以是同構的也可以是異構的。而非共享，則相反，意味著該段內存只能被系統中的一個處理器所訪問到，對別的處理器來說不可見。

為了實現獨占訪問，ARM系統中還特別提供了所謂獨占監視器（Exclusive Monitor）的東西，其結構大致如下：

可以看出來，一共有兩種類型的獨占監視器。每一個處理器內部都有一個本地監視器（Local Monitor），且在整個系統范圍內還有一個全局監視器（Global Monitor）。

如果要對非共享內存區中的值進行獨占訪問，只需要涉及本處理器內部的本地監視器就可以了；而如果要對共享內存區中的內存進行獨占訪問，除了要涉及到本處理器內部的本地監視器外，由于該內存區域可以被系統中所有處理器訪問到，因此還必須要由全局監視器來協調。

對于本地監視器來說，它只標記了本處理器對某段內存的獨占訪問，在調用LDREX指令時設置獨占訪問標志，在調用STREX指令時清除獨占訪問標志。

而對于全局監視器來說，它可以標記每個處理器對某段內存的獨占訪問。也就是說，當一個處理器調用LDREX訪問某段共享內存時，全局監視器只會設置針對該處理器的獨占訪問標記，不會影響到其它的處理器。當在以下兩種情況下，會清除某個處理器的獨占訪問標記：

1）當該處理器調用LDREX指令，申請獨占訪問另一段內存時；

2）當別的處理器成功更新了該段獨占訪問內存值時。

對于第二種情況，也就是說，當獨占內存訪問內存的值在任何情況下，被任何一個處理器更改過之后，所有申請獨占該段內存的處理器的獨占標記都會被清空。

另外，更新內存的操作不一定非要是STREX指令，任何其它存儲指令都可以。但如果不是STREX的話，則沒法保證獨占訪問性。

現在的處理器基本上都是多核的，一個芯片上集成了多個處理器。而且對于一般的操作系統，系統內存基本上都被設置上了共享屬性，也就是說對系統中所有處理器可見。因此，我們這里主要分析多核系統中對共享內存的獨占訪問的情況。

為了更加清楚的說明，我們可以舉一個例子。假設系統中有兩個處理器內核，而一個程序由三個線程組成，其中兩個線程被分配到了第一個處理器上，另外一個線程被分配到了第二個處理器上。且他們的執行序列如下：

大致經歷的步驟如下：

1）CPU2上的線程3最早執行LDREX，鎖定某段共享內存區域。它會相應更新本地監視器和全局監視器。

2）然后，CPU1上的線程1執行LDREX，它也會更新本地監視器和全局監視器。這時在全局監視器上，CPU1和CPU2都對該段內存做了獨占標記。

3）接著，CPU1上的線程2執行LDREX指令，它會發現本處理器的本地監視器對該段內存有了獨占標記，同時全局監視器上CPU1也對該段內存做了獨占標記，但這并不會影響這條指令的操作。

4）再下來，CPU1上的線程1最先執行了STREX指令，嘗試更新該段內存的值。它會發現本地監視器對該段內存是有獨占標記的，而全局監視器上CPU1也有該段內存的獨占標記，則更新內存值成功。同時，清除本地監視器對該段內存的獨占標記，還有全局監視器所有處理器對該段內存的獨占標記。

5）下面，CPU2上的線程3執行STREX指令，也想更新該段內存值。它會發現本地監視器擁有對該段內存的獨占標記，但是在全局監視器上CPU1沒有了該段內存的獨占標記（前面一步清空了），則更新不成功。

6）最后，CPU1上的線程2執行STREX指令，試著更新該段內存值。它會發現本地監視器已經沒有了對該段內存的獨占標記（第4步清除了），則直接更新失敗，不需要再查全局監視器了。

所以，可以看出來，這套機制的精髓就是，無論有多少個處理器，有多少個地方會申請對同一個內存段進行操作，保證只有最早的更新可以成功，這之后的更新都會失敗。失敗了就證明對該段內存有訪問沖突了。實際的使用中，可以重新用LDREX讀取該段內存中保存的最新值，再處理一次，再嘗試保存，直到成功為止。

還有一點需要說明，LDREX和STREX是對內存中的一個字（Word，32 bit）進行獨占訪問的指令。如果想獨占訪問的內存區域不是一個字，還有其它的指令：

1）LDREXB和STREXB：對內存中的一個字節（Byte，8 bit）進行獨占訪問；

2）LDREXH和STREXH：中的一個半字（Half Word，16 bit）進行獨占訪問；

3）LDREXD和STREXD：中的一個雙字（Double Word，64 bit）進行獨占訪問。

它們必須配對使用，不能混用。

在ARMv8指令集下，LDREX指令被改名成了LDXR指令，而STREX指令被改名成了STXR指令，功能基本上是一樣的，除了添加了一個新的特性。當全局監視器標記的對某段內存的獨占訪問被清空后，將向所有標記了對該段內存獨占訪問的CPU核都發送事件，將它們從WFE指令中喚醒，繼續執行。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ARM平台下独占访问指令LDREX和STREX的原理与使用详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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