一、多核同步问题

单条汇编指令可能被多个CPU同时执行，此时就可能会引发安全问题。

考虑下面的指令：

INC DWORD PTR DS:[0x12345678]

如果两个CPU同时执行该指令，[0x12345678] 的初始值是0，那么两个CPU执行后，本应该 [0x12345678] 是2，结果却有可能是1。

为了解决这个问题，可以使用 LOCK 对某个内存地址“加锁”，将指令修改成如下：

LOCK INC DWORD PTR DS:[0x12345678]

添加 LOCK 之后，保证了多个CPU不能同时对这条指令进行访问，这也就实现了安全保证。

单核模式下，单条汇编指令一定是满足原子性的，所以根本用不到 LOCK ，我们可以验证一下这个说法，首先了解一下 WINDOWS 提供的原子性操作API。

二、原子操作API

这里列举部分：

InterlockedIncrement
InterlockedExchangeAdd
InterlockedDecrement
InterlockedFlushSList
InterlockedExchange
InterlockedPopEntrySList
InterlockedCompareExchange
InterlockedPushEntrySList

先挑一个 InterlockedIncrement 作简单介绍，这个API可以在三环使用的，作用是对某个变量+1，满足原子性，就是说不会有多核或者多线程的同步安全问题。它接收一个地址作为参数，对它里面的值+1，然后返回+1 后的结果，这个宏的声明我们也是可以找到的：

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

下面我们就来对比看看单核和多核模式下，这个API的实现有什么区别。

首先我们打开单核模式的内核文件，找到 InterlockedIncrement ，观察其代码：

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

xadd是先交换两个数，然后把求和的结果存到原来的第一个操作数里，结合上面的介绍，这个函数应该不难理解。

然后打开多核模式下的内核文件，我说明一下怎么找多核内核文件和符号文件:

ntoskrnl - 单处理器，不支持PAE

ntkrnlpa - 单处理器，支持PAE

ntkrnlmp - 多处理器，不支持PAE

ntkrpamp - 多处理器，支持PAE

我们在符号文件的目录下能找到符号文件，比如我要多核PAE，那就是 ntkrpamp.pdb ，然后把虚拟机设置改成多核，去 system32 里取 ntkrnlpa.exe ，就好了。

打开内核文件，载入符号，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

发现和单核的区别就是 xadd 指令加了 lock 。这样就保证了多个CPU不能同时读这个指令的内存，也就不能同时执行该指令了，这也就保证了对 [ecx] 的同步访问。

三、自己实现临界区（不使用xadd）

所谓临界区，可以理解成某段指令同一时刻只能有一个CPU/线程在执行，实现方法是多样的。

比如我可以定义一个全局变量 CriticalLock 初始化为 -1，表示当前没有占用，可以访问临界区。

每个线程的第一条指令都是 inc CriticalLock ，然后判断如果等于0，表示自己是第一个线程，就可以执行业务代码；否则就算没抢到，把 CriticalLock 减回去，循环刚才的步骤直到 CriticalLock 等于0.

听起来没什么问题，下面给出一段代码，起了10个线程，每个线程给全局变量 g_value 加1，重复十次，理论上最后 g_value 应该等于 100.

错误的实现

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>int g_value = 0;int CriticalLock = -1; // -1表示可以进入临界区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:// 耗时业务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("所有线程结束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0;
}

可以看到程序输出是错的，原因是当前机器是多核的，多个CPU同时调用不同的线程，同时对 CrititalLock 进行读写，就会出现同步安全问题。（这段代码在单核模式下是正确的）

错误的实现2

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>int g_value = 0;int CriticalLock = -1; // -1表示可以进入临界区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:// 耗时业务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("所有线程结束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0;
}

正确的实现（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:// 耗时业务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("所有线程结束，g_value = %d\n", g_value);getchar();return 0;
}

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错误的实现

错误的实现2

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