在上篇文章中介绍了ARMv8中同步与信号量的基本原理：ARMv8内存属性与类型（Memory types and attributes）简介

接下来本文将继续围绕这个话题，详细介绍Exclusive相关指令：Load-Exclusive/Store-Exclusive的具体使用。

一、Local Monitor 与 Global Monitor

在ARMv8内存属性与类型（Memory types and attributes）简介一文中有对local monitor和global monitor做详细描述。

1. Local Monitor

如果内存被标记为Non-shareable内存，说明该内存不可共享的，只能被单个处理器访问。所以对这种内存的读写一致性问题，只需要Local monitor维护即可。Local monitor只在处理器内部维护exclusive状态，由于不涉及多处理器的exclusive状态共享，所以不需要对真正的内存进行标记。在硬件实现上，可以通过对内存地址进行标记exclusive状态，来实现单个处理器的读写一致性。也可以通过追踪exclusive 指令（Load-Exclusive/Store-Exclusive）来维护单处理器中多线程读写一致性。

2. Global Monitor

对于shareable 内存，既可共享内存而言，该类型内存可以被多个处理器同时访问，此时需要使用Global Monitor来维护读写一致性，通过对共享内存的物理内存标记为独占式访问：定义一个mutex信号量，来保证多处理器并发时的多读单写。

根据ARMv8手册描述：global monitor可以存在于处理器中，也可以作为一个二级的monitor存在于内存接口中。在具体的设计实现中，Local monitor和Global Monitor甚至可以合并成一个独立单元，但是既提供local  monitor的功能和global monitor的功能。

下图是Exclusive的一种实现架构：Local monitor位于各个处理器中（在cortex-A系列中，如A53，A55以及A73，local monitor都位于L1 cache中），多个处理器共用一个global monitor：

二、Exclusive 指令的简单使用

在AArch32中，使用的Exclusive 指令是LDREX和STREX：

LDREX R1, [R0]STREX R2, R1, [R0]

在AArch64中，使用的Exclusive 指令是LDXR & STXR:

ldxr w0, [x9]stxr w8, w0, [x9]

下面以LDREX和STREX为例，介绍两个指令的简单使用：

LDREX R1, [R0] 指令将加载 R0所指向内存地址的一个word（4 bytes）数据，加载到R1中。同时会初始化Exclusive monitor的exclusive 状态，并将R0所指向的内存区域（一个granule 大小）标记为Exclusive access。

STREX R2, R1, [R0] 是一个有条件的 store指令，它是否成功执行，取决于Exclusive monitor，如果Exclusive monitor通过状态机发现存在Store-Exclusive指令成功执行的条件：

• Store操作将执行：R1中的值将会被更新到R0所指向的内存位置
• monitor中的Exclusive 状态将会被清除，之前被标记为Exclusive access的内存区域也会被清除标记

• 状态寄存器R2中的值将会被设置为0，表明该STREX指令执行成功。

如果不具备Store-Exclusive指令成功执行的条件，Store操作将不会进行，状态寄存器R2中的值将会被设置为1，表明该STREX指令执行失败。

此外，LDREX和STREX是对内存中的一个字（Word，32 bit）进行独占访问的指令。如果想独占访问的内存区域不是一个字，还有其它的指令：

1. LDREXB和STREXB：对内存中的一个字节（Byte，8 bit）进行独占访问；
2. LDREXH和STREXH：中的一个半字（Half Word，16 bit）进行独占访问；
3. LDREXD和STREXD：中的一个双字（Double Word，64 bit）进行独占访问。

它们必须配对使用，不能混用。

三、Exclusive 示例程序

1. 原子自加1程序

下面的例子给出了使用 LDXR & STXR 实现原子加一的过程：

; extern int atom_add(int *val);_atom_add:mov x9, x0 ; 备份 x0，为了失败时恢复，x9=x0=*valldxr w0, [x9] ; 从val所在的内存中读取一个 int，并标记 Exclusiveadd w0, w0, #1 ; w0=w0+1stxr w8, w0, [x9] ; 尝试写回 val 位置，写入结果保存在 w8cbz w8, atom_add_done ; 如果 w8 为 0 说明成功，跳到程序结束mov x0, x9 ; 恢复备份的 x0，重新执行 atom_addb _atom_addatom_add_done:ret

另一个自加程序 （存在于 libkern 提供的 OSAtomicAdd32 函数）：

;int32_t OSAtomicAdd32(int32_t __theAmount, volatile int32_t *__theValue);ldxr    w8, [x1]      ;将__theValue的值加载到w8,同时标记Exclusive access状态add     w8, w8, w0     ; w8=w8+w0, w0=__theAmountstxr    w9, w8, [x1]     ;将w8写回到*__theValue， 结果保存到w9cbnz    w9, _OSAtomicAdd32 ;判断w9是否为0，不为0则跳到函数头，重新执行函数mov     x0, x8        ;成功则将w8作为返回值返回ret     lr

 2，原子锁程序

关于此原子锁程序的解析，参考原文：ARMv8之exclusive操作（二）exclusive操作例子 | 骏的世界

; void lock(lock_t *ptr)lock:    ; is it locked?    LDXR   W1, [X0]        ; Load current value of lock    CMP       W1, #LOCKED  ; Compare with "LOCKED"    B.EQ   lock            ; If LOCKED, try again
    ; Attempt to lock    MOV       W1, #LOCKDED    STXR   W2, W1, [X0]    ; Attempt to lock    CBNZ   W2, lock        ; If STXR failed, try again    DMB    SY              ; Ensures acesses to the resource are not made                           ; before the lock is acquired    RET

在文章ARMv8之exclusive操作（二）exclusive操作例子 | 骏的世界中，解析了两个线程进行抢锁的过程。扩展到多线程，多个CPU也是一样的原理：对同个地址进行读写操作时，同一时间只会有一个线程能成功完成读写操作。

下面将举一个多处理器多线程的例子，来分析ARMv8中独占式访问的原理：

如下图所示，某系统中有两个CPU，CPU0里有两个线程：Thread 1执行程序1，Thread 2执行程序2,。CPU1中有一个线程：线程3中执行程序2。三个线程中的程序都对同一个地址A进行访问。

它们的执行顺序如下：

1. CPU1的thread 3最先执行LDREX，锁定地址A开始的内存区域为exclusive access，同时更新CPU1的local monitor和global monitor的状态为Exclusive 状态。
2. 然后CPU0的Thread1也执行LDREX，它也会更新CPU0 的local monitor和global monitor的状态为Exclusive状态。此时，在global monitor的视角中，CPU0和CPU1都对以地址A开始的一段内存做了Exclusive acces的标记。
3. 接着，CPU0的Thread2也执行到了LDREX，此时它会发现CPU0的local monitor已经对该段内存做了独占标记，同时global monitor上CPU0也对该内存做了独占标记。但这并不会影响该指令的执行。
4. 接下来，CPU0的Thread1首先执行STREX指令，尝试往地址A写入新的值。此时发现CPU0的local monitor对该段内存进行了独占访问标记，并且global monitor中也有CPU 0对该内存的独占标记，所以STREX指令将成功执行。同时会清除CPU0的local monitor以及global monitor中所有处理器对该段内存的独占标记。
5. 接下来CPU1的Thread3也执行到了STREX，但是此时只有CPU1的local monitor对该段内存有独占标记，global monitor中没有CPU1的独占标记。所以更新失败，STREX指令执行失败。
6. 同理，CPU0的Thread2执行STREX时也将失败，它会发现不管是local monitor还是global monitor都没有对该段内存的独占标记。

7. 如果程序2是上文提到的原子自加程序，在执行STREX指令失败后，将会重新进行LDREX，此时，三个线程执行完成的顺序为：Thread1 - Tread3 - Tread2。

ARM的exclusive独占式访问的机制的核心在于：

在同一时间内，允许多个观察者对同一段内存进行读取，标记为独占式访问，但是只允许其中一个观察者能够对该内存进行成功写入，按照先写先得原则，最先执行完LDREX/STREX指令对的观察者（最先完成对该内存的更新）可以成功，其他的都会失败。

这样就可以维护多个观察者的读写一致性问题。实际的使用中，可以重新用LDREX读取该段内存中保存的最新值，再处理一次，再尝试保存，直到成功为止。

文章转自CSDN，作者：SOC罗三炮，文章已获得原创作者授权