前言

📫作者简介： 小明java问道之路，专注于研究计算机底层/Java/Liunx 内核，就职于大型金融公司后端高级工程师，擅长交易领域的高安全/可用/并发/性能的架构设计📫 

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本文导读

本文讲解CPU角度的中断控制，CPU层面并行并发和中断控制的原理，现代CPU的缓存结构和架构图、CPU缓存一致性的源码原理，以及CPU如何通过编译器的屏障与指令实现系统屏障，经过内联汇编代码验证之后，证明上述所说的 Linux 内核用 volatile 关键字实现系统屏障（指令重排），加深对系统屏障的内核源码和原理的理解。

一、中断控制

本节从CPU来看看并发和并行下，硬件层是如何处理共享资源的。

如果只有一个CPU，我们肯定采用并发任务，因为没有多个CPU，所以无法并行，也就是分时复用CPU资源，即给每个任务分CPU时间片，当时间片到后切换下一个任务执行。想象一下，如我想在这种场景下实现 P-V 原语，那么应怎么做呢？

众所周知，对于变量加 1 的操作分为3步，加载、修改、写回，如果在加载完成的时候，CPU 切换了任务，那么会发生什么？肯定就回到了之前说的共享资源导致并发的问题，肯定又要上锁，那么上锁就必须要有原子性操作。

怎么解决上述问题呢？让我们先思考，是什么导致CPU下来看看任到没到达时间片呢？因为任务代码里是没有检测时间片的指令的，答案是中断那么什么是中断呢？想象一下，你在写代码，当你老板找你时给你打了个电话，于是你停下手里的工作，接你老板的电话，完毕后继续写代码，那么你放下手头完成后继续写代码的过程就叫作中断恢复。

你写代码时是电话把你中断了，那么CPU执行指令时是谁中断了CPU？答案是 CPU 一个针脚会检测中断，而这个中断信号在 intel上是由一个芯片叫作 8259A中断控制芯片 来做的。

图中有两块 8259A 芯片，每块芯片可以管理8个中断源，通过使用多片级联的方式，那么最多可以管理64个不同的中断号（排列组合，芯片上只有8个中断源针脚，那么8个有8个中断源的8259A芯片是多少 8*8=64），图中采用了两块芯片，可以管理15级中断号（IR2连接了第2块的INT针脚，那么还剩7个，片2有RO-R7总共7个，7+8=15）。

这里将级联的芯片称为从芯片，而将直接跟 CPU 的 INTR 针脚（也就是 CPU Interrupt Request CPU中断请求针脚）相连的芯片称为主芯片。

从芯片的 INT 引脚连接到主芯片的 IR2 引脚上。主芯片的端口基地址为 0x20，从芯片的地址为 0xA0。我们可以在操作系统初始化时通过系统总线控制器，CPU用 IN或者OUT 命令对 8259A 操作。

完成编程后，首先芯片就开始工作，随时响应连接到IR0-IR15针脚的信号，再通过CPUINTR针脚通知给CPU。然后CPU 响应这个信号，通过数据总线 D0-D7 将我们通过编程设定的中断号读出，接着 CPU就可以知道是哪个中断了我，最后根据这个中断号去调用响应的中断服务程序。

其实CPU就是通过检测 INTR 针脚信号来判断是否有中断，问题来了什么时候检测呢？在执行完一条指令，当开始执行下一个指令之前检测中断信号。

回顾CPU如何执行指令？ IF(instruction fetch指令提取)、ID(instruction decode指令译码)、EX(execute执行阶段)、MEM(memory访存阶段)、WB(writeback写回阶段)、IE(interrupt execute中断处理阶段)。

下面来看看Linux内核是如何操作的。Linux 内核中对于中断的宏定义:

#define local irq_disable()_asm__volatile_("cli":::"memory") // 关中断	

#define local_irq_enable()__asm__volatile_("sti":::"memory") // 开中断

回到我们之前的问题上，如果在 CPU 上执行 P-V 原语呢？也就是如何让 CPU 不会切换任务，很简单，通过一种方式让 CPU 不响应INTR针脚的中断信号就行了，当我们执行完原子性的操作后，再让 CPU 响应INTR 信号即可，那么这两个过程就叫作:中断使能、关中断。对应着两个 CPU 指令，即 STI（set interrupt flag设置中断标志位）和 CLI（clear interrupt flag清除中断标志位）。

总结

本文讲解CPU角度的中断控制，CPU层面并行并发和中断控制的原理，现代CPU的缓存结构和架构图、CPU缓存一致性的源码原理，以及CPU如何通过编译器的屏障与指令实现系统屏障，经过内联汇编代码验证之后，证明上述所说的 Linux 内核用 volatile 关键字实现系统屏障（指令重排），加深对系统屏障的内核源码和原理的理解。