一、多核同步問題

單條匯編指令可能被多個CPU同時執行，此時就可能會引發安全問題。

考慮下面的指令：

INC DWORD PTR DS:[0x12345678]

如果兩個CPU同時執行該指令，[0x12345678] 的初始值是0，那么兩個CPU執行后，本應該 [0x12345678] 是2，結果卻有可能是1。

為了解決這個問題，可以使用 LOCK 對某個內存地址“加鎖”，將指令修改成如下：

LOCK INC DWORD PTR DS:[0x12345678]

添加 LOCK 之后，保證了多個CPU不能同時對這條指令進行訪問，這也就實現了安全保證。

單核模式下，單條匯編指令一定是滿足原子性的，所以根本用不到 LOCK ，我們可以驗證一下這個說法，首先了解一下 WINDOWS 提供的原子性操作API。

二、原子操作API

這里列舉部分：

• InterlockedIncrement
• InterlockedExchangeAdd
• InterlockedDecrement
• InterlockedFlushSList
• InterlockedExchange
• InterlockedPopEntrySList
• InterlockedCompareExchange
• InterlockedPushEntrySList

先挑一個 InterlockedIncrement 作簡單介紹，這個API可以在三環使用的，作用是對某個變量+1，滿足原子性，就是說不會有多核或者多線程的同步安全問題。它接收一個地址作為參數，對它里面的值+1，然后返回+1 后的結果，這個宏的聲明我們也是可以找到的：

LONG InterlockedIncrement(LPLONG lpAddend // variable to increment );

下面我們就來對比看看單核和多核模式下，這個API的實現有什么區別。

首先我們打開單核模式的內核文件，找到 InterlockedIncrement ，觀察其代碼：

; __fastcall __InterlockedIncrement(x) public @__InterlockedIncrement@4 @__InterlockedIncrement@4 proc near mov eax, 1 xadd [ecx], eax inc eax retn @__InterlockedIncrement@4 endp

xadd是先交換兩個數，然后把求和的結果存到原來的第一個操作數里，結合上面的介紹，這個函數應該不難理解。

然后打開多核模式下的內核文件，我說明一下怎么找多核內核文件和符號文件:

ntoskrnl - 單處理器，不支持PAE

ntkrnlpa - 單處理器，支持PAE

ntkrnlmp - 多處理器，不支持PAE

ntkrpamp - 多處理器，支持PAE

我們在符號文件的目錄下能找到符號文件，比如我要多核PAE，那就是 ntkrpamp.pdb ，然后把虛擬機設置改成多核，去 system32 里取 ntkrnlpa.exe ，就好了。

打開內核文件，載入符號，找到 InterlockedIncrement

; __fastcall __InterlockedIncrement(x) public @__InterlockedIncrement@4 @__InterlockedIncrement@4 proc near mov eax, 1 lock xadd [ecx], eax inc eax retn @__InterlockedIncrement@4 endp

發現和單核的區別就是 xadd 指令加了 lock 。這樣就保證了多個CPU不能同時讀這個指令的內存，也就不能同時執行該指令了，這也就保證了對 [ecx] 的同步訪問。

三、自己實現臨界區（不使用xadd）

所謂臨界區，可以理解成某段指令同一時刻只能有一個CPU/線程在執行，實現方法是多樣的。

比如我可以定義一個全局變量 CriticalLock 初始化為 -1，表示當前沒有占用，可以訪問臨界區。

每個線程的第一條指令都是 inc CriticalLock ，然后判斷如果等于0，表示自己是第一個線程，就可以執行業務代碼；否則就算沒搶到，把 CriticalLock 減回去，循環剛才的步驟直到 CriticalLock 等于0.

聽起來沒什么問題，下面給出一段代碼，起了10個線程，每個線程給全局變量 g_value 加1，重復十次，理論上最后 g_value 應該等于 100.

錯誤的實現

#include "stdafx.h" #include <windows.h>int g_value = 0;int CriticalLock = -1; // -1表示可以進入臨界區DWORD WINAPI MyThread(LPVOID TID) {for (int i = 0; i < 10; i++){ CriStart:Sleep(20); // 提高效率__asm{inc [CriticalLock];jz CriEnd;dec [CriticalLock];jmp CriStart;} CriEnd:// 耗時業務g_value+=3;Sleep(20);g_value-=2;printf("%d\n", g_value);__asm dec [CriticalLock];}return 0; }int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {for (int i = 0; i < 10; i++){CreateThread(0,0,MyThread,(LPVOID)i,0,0);}getchar();printf("所有線程結束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0; }

可以看到程序輸出是錯的，原因是當前機器是多核的，多個CPU同時調用不同的線程，同時對 CrititalLock 進行讀寫，就會出現同步安全問題。（這段代碼在單核模式下是正確的）

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錯誤的實現2

#include "stdafx.h" #include <windows.h>int g_value = 0;int CriticalLock = -1; // -1表示可以進入臨界區DWORD WINAPI MyThread(LPVOID TID) {for (int i = 0; i < 10; i++){ CriStart:Sleep(20); // 提高效率__asm{lock inc [CriticalLock];jz CriEnd;lock dec [CriticalLock];jmp CriStart;} CriEnd:// 耗時業務g_value+=3;Sleep(20);g_value-=2;printf("%d\n", g_value);__asm lock dec [CriticalLock];}return 0; }int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {for (int i = 0; i < 10; i++){CreateThread(0,0,MyThread,(LPVOID)i,0,0);}getchar();printf("所有線程結束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0; }

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正確的實現（xchg）

#include "stdafx.h" #include <windows.h>int g_value = 0;int CriticalLock = 0;DWORD WINAPI MyThread(LPVOID TID) {for (int i = 0; i < 10; i++){ CriStart:__asm{mov eax,1;lock xchg [CriticalLock],eax;cmp eax,1;jnz CriEnd;}Sleep(20);__asm jmp CriStart; CriEnd:// 耗時業務g_value+=3;Sleep(20);g_value-=2;printf("%d\n", g_value);__asm dec [CriticalLock];}return 0; }int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {for (int i = 0; i < 10; i++){CreateThread(0,0,MyThread,(LPVOID)i,0,0);}getchar();printf("所有線程結束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0; } 《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結

以上是生活随笔為你收集整理的（67）多核同步，lock 总线锁 ，自己实现临界区的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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