如何在C++中原子地添加和获取128位数字

How to atomically add and fetch a 128-bit number in C++?

本文关键字：添加 获取 128位 数字 C++      更新时间：2023-10-16

我使用Linux x86_64和clang 3.3。

这在理论上可能吗？

std::atomic<__int128_t>不起作用（对某些函数的未定义引用）。

__atomic_add_fetch也不起作用（"错误：还不能编译这个原子库调用"）。

CCD_ 3和CCD_。

用一条指令是不可能做到这一点的，但您可以模拟它，并且仍然没有锁。除了最早的AMD64 CPU外，x64支持CMPXCHG16B指令。只要有一点多精度数学，你就可以很容易地做到这一点。

恐怕我不知道GCC中CMPXCHG16B的本质，但希望你能想到CMPXCHG16B的自旋环。以下是一些未经测试的VC++代码：

// atomically adds 128-bit src to dst, with src getting the old dst.
void fetch_add_128b(uint64_t *dst, uint64_t* src)
{
    uint64_t srclo, srchi, olddst[2], exchlo, exchhi;
    srchi = src[0];
    srclo = src[1];
    olddst[0] = dst[0];
    olddst[1] = dst[1];
    do
    {
        exchlo = srclo + olddst[1];
        exchhi = srchi + olddst[0] + (exchlo < srclo); // add and carry
    }
    while(!_InterlockedCompareExchange128((long long*)dst,
                                          exchhi, exchlo,
                                          (long long*)olddst));
    src[0] = olddst[0];
    src[1] = olddst[1];
}

编辑：这里有一些未经测试的代码，我可以为GCC内部找到：

// atomically adds 128-bit src to dst, returning the old dst.
__uint128_t fetch_add_128b(__uint128_t *dst, __uint128_t src)
{
    __uint128_t dstval, olddst;
    dstval = *dst;
    do
    {
        olddst = dstval;
        dstval = __sync_val_compare_and_swap(dst, dstval, dstval + src);
    }
    while(dstval != olddst);
    return dstval;
}

是；你需要告诉你的编译器你在支持它的硬件上。

这个答案将假设您使用的是x86-64；arm可能也有类似的规格。

从通用x86-64微体系结构级别来看，您至少需要x86-64-v2让编译器知道您有cmpxchg16b指令。

这是一个工作的godbolt，请注意编译器标志-march=x86-64-v2：https://godbolt.org/z/PvaojqGcx

有关x86-64-psABI的更多信息，请在此处发布规范。

这是不可能的。没有一条x86-64指令可以在一条指令中添加128位，而要原子化地做一些事情，一个基本的起点是它是一条指令（有些指令即使在那时也不是原子性的，但那是另一回事）。

您需要在128位数字周围使用一些其他锁。

编辑：有可能有人会想出这样的东西：

 __volatile__ __asm__(
    "     mov            %0, %%raxn"
    "     mov            %0+4, %%rdxn"
    "     mov            %1,%%rbxn"
    "     mov            %1+4,%%rcxn"
    "1:n
    "     add            %%rax, %%rbxn"
    "     adc            %%rdx, %%rcxn"
    "     lock;cmpxcchg16b %0n"
    "     jnz            1bn"
    : "=0"
    : "0"(&arg1), "1"(&arg2));

这只是我刚刚破解的东西，我还没有编译它，更不用说验证它是否有效了。但原则是，它会重复，直到比较相等。

编辑2：Darn打字太慢了，Cory Nelson只是发布了同样的东西，但使用了一些有趣的东西。

第3版：将循环更新为不需要读取的不必要的读取内存。。。CMPXCHG16B为我们做到了这一点。

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