atomicity of memory accesses

atomicity of memory accesses

原子性边界的界定—是理解 memory model 的核心之一。

SC 要求 atomicity of memory accesses , 下面将 memory accesses 进行拆解, 以 更深刻理解 SC 对 atomicity 的要求。

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✅ 正确认识原子性的边界

对于 Load：

步骤回顾：

1. 地址计算（EA）
2. 发起访问（向 cache 发 load 请求） ← Issue
3. 从 cache/mem 返回值 ← Perform point
4. 写入目标寄存器

✅ 正确的原子性边界是：

• 第 2 步（issue） 到 第 3 步（fetch 到值） 是 必须原子的部分。
• 原因：这是 load 真正与 memory hierarchy 交互的部分，如果其他 store 在这之间插入，会导致读取到错误值，破坏 SC。

❗注意：写入寄存器不是 memory model 的可见性关键，因此不是原子性边界的一部分。

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对于 Store：

步骤回顾：

1. 地址计算
2. 指令 commit，进入 store buffer
3. 从 store buffer 发起写 cache（store buffer flush）
4. 写入缓存并完成 coherence 动作（例如 invalidate 或 update） ← Perform point

✅ 正确的原子性边界是：

• 第 3 步（issue to cache） 到 第 4 步（完成全局可见性） 是 必须原子的部分。
• 原因：这决定了其他 core 能否读到这个 store 的值，如果这个过程可被插入或拆分，就会打破 memory consistency。

❗所以你说的 store 的 perform 阶段是必须原子的 —— 是完全正确的。

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修正原文中的说法（对照分析）

我之前说：

“Load 的两个阶段（issue, completion）构成其原子性边界。”

→ ✅ 正确，但需要明确 “completion” 是指 从 cache 得到值，不是写入寄存器。

我之前说：

“Store 的边界是从 issue 到 perform（全局可见）。”

→ ✅ 正确，但更精确地讲是：从 store buffer flush 到 coherence 完成 是关键部分。

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✅ 原子性边界最终澄清总结

操作类型	开始点	结束点
Load	发起 cache read	数据拿到为止
Store	发起 cache write	数据在所有核心可见为止

为什么 Sequential Consistency的两个核心约束 不提 read atomicity ?

你问得非常到位。这关系到 Sequential Consistency (SC) 模型中的核心假设和设计目标。

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问题本质

你提到的两个约束其实是：

1. 程序顺序对所有处理器都一致可见：每个处理器的指令（load/store）必须以程序写的顺序在系统中对所有处理器保持一致的顺序。
2. 写操作必须具有原子性（write atomicity）：一旦某个处理器看到一个写（store）发生了，那么所有处理器必须同时看到这个写。

于是问题来了：

为什么只强调了 Write Atomicity，而没有强调 Read Atomicity？

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✅ 回答：因为 “Read Atomicity” 本身在 SC 中是隐含成立的，不需要单独强调

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思考路径如下：

1. Read 是不可观察的副作用

读（load）操作不会对其他核心产生直接可观察的副作用，它只是读取某个内存位置的当前值，并不会改变共享状态。而写操作会改变共享状态，是全局可观察事件。

所以，SC 中只需要定义：写什么时候被"别人"看到；读自然是基于"可见的写"结果。

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2. 读的行为完全依赖于写是否可见

在 SC 中，读到的值必须是某个已经完成的写，也就是说：

如果一个 core 看到 x = 1，那么在它看来 x = 1 这个写已经 globally visible 了（write atomicity 确保的）。

读到这个值是"合法"的前提是这个值是来自某个已经发生且"所有人都同意的"写。这一点正是 write atomicity 保证的。

所以 SC 中不需要额外声明 “read atomicity”——读只是在一组可见写中选一个。

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3. 读操作在 SC 中没有并发可见性问题

• 写的非原子性会导致 不同 core 看到不同写入值，所以必须强调 atomicity。
• 但读不会被“别人看到”，所以不会产生一致性问题。

因此，“read atomicity”没有意义：它不是一个互斥事件，也不需要所有 core "看到"某个读行为——它只是个本地动作。

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举个例子说明

// P0
x = 1;
y = 1;

// P1
if (y == 1)
    assert(x == 1);

SC 要求：

• P0 的 store 顺序是 x=1 → y=1
• 如果 P1 看到 y1，那么由于 store 顺序一致性，它也必须看到 x1（因为 x=1 写在前）

关键是：

• 写操作（x=1, y=1）必须在所有 core 看起来顺序一致
• 读操作（y1, x1）只是根据这些写的“时间点”来决定自己的返回值，不存在“可见性”问题

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✅ 总结

类型	是否强调原子性	原因
Write	✅ 强调	写影响全局状态，需要保证对所有核心同时可见
Read	❌ 不强调	读只是查询当前状态，不会影响其他核心，不存在多核心“看到”问题

所以：SC 模型中只需要定义 Write Atomicity，Read Atomicity 不是一个有意义的概念。

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如果你在考虑更弱的 memory model（如 TSO, RCsc, ARM, RISC-V 等），那时读操作就可能变得“更复杂”，因为 load-store reordering 和缓存的本地视图都会造成读操作行为更微妙。在那种模型下，load 有时也需要 fence 或 acquire-semantics 来保证语义，但那是更进一步的问题了。你也可以继续问这方面的内容。

从实现角度讲，并不需要额外引入“read atomicity”机制，只要确保读不会从“未完成的写”中读到值即可。