ASM中的非法指令：锁定cmpxchg dest，src

Question

我一直在搞乱一些x86程序集，因为它出现在我的许多课程中。特别是，我想将比较和交换（CAS）作为用户函数公开。这是为了实现我自己的锁。

我在Intel CPU上使用Linux 2.6.31和GCC 4.1.1。

我有以下内容：

// int cmpxchg(int *dest, int expected, int update)
.globl cmpxchg
cmpxchg:
  pushl %ebp
  movl  %esp, %ebp

  // edx holds dest
  movl 8(%ebp), %edx
  // eax holds expected value
  movl 12(%ebp), %eax
  // ecx holds the new value
  movl 16(%ebp), %ecx

  // cmpxchg dest_addr, exp_value
  // compare to %eax is implicit
  lock cmpxchgl %edx, %ecx

  leave
  ret

这是在* .s文件中，我用我的驱动程序编译。当我包括该行

  lock cmpxchgl %edx, %ecx

并执行，我收到“非法指令”错误。 当我用

替换该行时

  cmpxchgl %edx, %ecx

我的代码似乎运行良好。

首先，lock是否必要？我不确定cmpxchgl是否是自然原子的，所以我使用lock来确定。作为用户地计划，我甚至可以使用lock吗？

由于

=============================================== =================

我的最终代码（对于那些可能在将来徘徊的人）：

// int cmpxchg(int *dest, int expected, int update)
.globl cmpxchg
cmpxchg:
  pushl %ebp
  movl  %esp, %ebp

  // edx holds dest, use eDx for Destination ;-)
  movl 8(%ebp), %edx
  // eax holds expected value implicitly
  movl 12(%ebp), %eax

  // cmpxchg dest_add, src_value
  lock cmpxchgl %edx, 16(%ebp)

  leave
  ret

Answer 1

您需要cmpxchgl %edx, (%ecx)

除非目标是内存操作数，否则此操作没有意义，但该指令允许寄存器目标。如果指令使用寄存器模式，CPU将发生故障。

我尝试过，你的代码使用内存操作数。我不知道你是否意识到这一点，但这个序列（带寄存器目的地）有一个流行的名字：“f00fc7c8 bug”或“the F00F bug”。在Pentium时代，这是一个“HCF”（停止和着火）或“杀手捅”指令，因为它会产生一个例外，由于总线被锁定而无法服务，并且它可以从用户调用模式。我认为可能存在操作系统级别的软件解决方法。

Answer 2

Ross的答案已经说明了大部分内容，但我会尝试澄清一些事情。

1. 是的，如果您想要原子性，则需要LOCK前缀。唯一的例外是XCHG（非CMPXCHG）指令，默认情况下会被锁定，正如asveikau指出的那样。
2. 是的，从用户模式代码中使用LOCK是完全合法的。
3. 是的，将CMPXCHG与注册目标操作数一起使用是完全合法的。

也就是说，将LOCK CMPXCHG 与一起使用与注册目的地操作数一起 是合法的。引用the IA-32 manual的第2A卷（我的副本中的第3-538页）：

  

LOCK前缀只能作为以下指令的前缀，并且只能作为目标操作数是存储器操作数的那些形式的指令：ADD，ADC，AND，BTC，BTR，BTS，CMPXCHG，CMPXCHG8B，DEC，INC ，NEG，NOT，OR，SBB，SUB，XOR，XADD和XCHG。

Answer 3

你的程序在这里编译得很好（GNU为2.20）（我把它粘贴到test.s并运行作为-o test.o test.s ）

关于锁，英特尔的文档说：

  

该指令可与a一起使用   LOCK前缀允许指令   以原子方式执行。简化   处理器总线的接口，   目标操作数接收到   写循环而不考虑   比较结果。该   目标操作数将被写回   比较失败;否则，   源操作数写入   目的地。 （处理器永远不会   不会产生锁定的读取   产生一个锁定的写。）

Answer 4

好奇，这个最终代码仍然正确吗？从我所看到的，你正在进行相反的比较，即你正在比较指针的值（即指针所指的实际地址）与用作更新的整数...目标设置为临时int用作更新值。换句话说，而不是：

lock cmpxchgl %edx, 16(%ebp)

我认为你会想要这样的东西：

//move the update value into ecx register
movl 0x16(%ebp), %ecx

//do the comparison between the value at the address pointed to by edx and eax,
//and if they are the same, copy ecx into the address being pointed to by edx
lock cmpxchgl %ecx, (%edx)

原始代码是否真的按计划工作（不仅仅是编译），如果没有，您最终是否重新组织代码，使其看起来更像上面的那样？

Answer 5

这似乎不太可能是问题的根源，但official documentation也表明该指令不早于486架构支持。这是在实模式下发生的，保护模式覆盖吗？