在具有多個執行線程的系統中，某些資源可能不能同時被訪問或者修改。這些資源可以是外圍設備或內存緩沖區和數據結構，例如打印機不會在一個時刻響應多個訪問。這就需要一些同步機制去處理這些資源的同時控制（concurrency control）問題。需要注意的是，這里說的“同步”，不是同時的意思，而是協同的意思。某個資源使用受限的情況下，你用完了我用，大家協同工作。

可以通過“鎖（lock）”機制來實現同步，對這些不能同時被訪問的共享資源提供一個鎖。線程在訪問這些資源之前必須先獲得鎖權限。這時，如果其它線程也想申請鎖，會發現鎖被占用，只能等待鎖被釋放。擁有鎖的線程在訪問結束后，必須釋放鎖，以便其它的線程可以繼續訪問。

可以使用內存中的變量來實現簡單的鎖，該變量可以包含兩個值（狀態）：LOCKED和UNLOCKED。進程如果發現這個鎖是UNLOCKED狀態，即可以修改為LOCKED，并擁有該資源的訪問權限。

圖中的整個過程分為三個步驟：

讀內存中的變量，并做狀態比較；

修改寄存器值；

寫內存變量。

在具有多個核或線程的系統中，此方法容易受到另一個線程的攻擊，即在變量值的第一次讀取和回寫之間修改內存中的值。

這個問題可以用軟件解決，也可以用額外的硬件功能來解決。一種解決方案可以是使“讀-比較-修改-寫（read-compare-modify-write）”的原子操作指令。ARM架構的早期版本使用SWP指令實現類似的功能。

ARMv8-A使用下面要介紹的，一種特殊類型的加載和存儲指令來檢測內存中的值自上次讀取以來是否發生了變化。ARMv8-A 64位指令集提供了兩條獨占指令LDXR（Load Exclusive）和STXR（Store Exclusive）。

當使用LDXR指令讀取地址時，會將其標記為獨占訪問。如果使用STXR指令向標記為獨占的地址寫入，則會清除獨占狀態。嘗試使用STXR指令向未標記為獨占的地址寫入將會失敗。地址的獨占狀態由稱為獨占監視器（Exclusive Monitor）的硬件維護。

使用獨占load/store后的鎖實現：

鎖值的更新不能保證是原子的，但現在可以檢測到初始讀取和更新之間的任何更改。如果獨占存儲失敗，軟件可以再次嘗試獲取鎖。

前面提到過，需要對標記為獨占的地址進行監控。獨占監視器可以是一個簡單的狀態機，其狀態可以是開放的（open）和獨占的（exclusive）。ARM架構定義了兩種不同的狀態機：本地獨占監視器（Local Exclusive Monitor）和全局獨占監視器（Global Exclusive Monitor）。

根據被訪問地址的可共享性屬性，檢查本地監視器或全局監視器的獨占訪問。

對于Non-shareable地址的獨占訪問檢查僅在本地獨監視器。

對shareable地址的獨占訪問檢查在本地監視器或全局監視器。

每個處理器核都有一個與其關聯的本地監視器。本地監視器可以構造為保存特定地址的獨占狀態，也可以構造為不保存該地址。本地監視器作為處理器的一部分實現。

全局監視器在多個處理器核之間共享。與本地監視器一樣，它們只需要監視一個地址，如果監視器可以標記多個地址，則每個地址都有自己的狀態機。

ARM體系結構要求以下內存類型能夠與全局監視器一起工作：

如果程序無法獲得鎖，會不斷嘗試申請鎖。但是這樣會浪費處理器的資源，并且消耗不必要的功耗。有幾種方式可以改善這個問題。對于在釋放鎖之前等待時間相對較長的情況，鎖代碼可以返回給操作系統調度程序，這允許在釋放鎖之前調度其它線程。

對于鎖可能快速被釋放的情況，ARM架構有一種機制，即允許處理器暫停執行，進入低功耗模式，等待鎖被釋放。ARM提供WFE（Wait For Event）指令，如果處理器申請鎖失敗，程序可以執行WFE進入等待。以前的做法是，負責釋放鎖的代碼中會執行SEV（Send Event）指令，通過發送EVENT喚醒正在等待鎖資源的處理器核。現在ARMv8-A架構中，清除全局監視器會自動向所有連接的處理器核發送EVENT喚醒。

審核編輯 ：李倩