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1、原子操作思想 原子操作 （atomic operation） ，不可分割的操作。其通过原子变量来实现，以保证单个 CPU 周期内，读写该变量，不能被打断，进而判断该变量的值，来解决并发引起的互斥。 Atomic 类型的函数可以在执行期间禁止中断，并保证在访问变量时的原子性。 同时， Linux 内核提供了两类原子操作的接口，分别是针对 位 和 整型变量 的原子操作。 2、整型变量原子操作 2.1 API接口 对于整形变量的原子操作，内核提供了一系列的 API 接口 /*设置原子变量的值*/ atomic_t v = ATOMIC_INIT ( 0 ); /* 定义原子变量v并初始化为0 */ void atomic_set ( atomic_t * v , int i ); /* 设置原子变量的值为i */ ​ /*获取原子变量的值*/ atomic_read ( atomic_t * v ); /* 返回原子变量的值*/ ​ /*原子变量的加减*/ void atomic_add ( int i , atomic_t * v ); /* 原子变量增加i */ void atomic_sub ( int i , atomic_t * v ); /* 原子变量减少i */ ​ /*原子变量的自增，自减*/ void atomic_inc ( atomic_t * v ); /* 原子变量增加1 */ void atomic_dec ( atomic_t * v ); /* 原子变量减少1 */ ​ /*原子变量的操作并测试*/ int atomic_inc_and_test ( atomic_t * v ); /*进行对应操作后，测试原子变量值是否为0*/ int atomic_dec_and_test ( atomic_t * v ); int atomic_sub_and_test ( int i , atomic_t * v ); ​ /*原子变量的操作并返回*/ int atomic_add_return ( int i , atomic_t * v ); /*进行对应操作后，返回新的值*/ int atomic_sub_return ( int i , atomic_t * v ); int atomic_inc_return ( atomic_t * v ); int atomic_dec_return ( atomic_t * v ); 2.2 API实现 我们下面就介绍几个稍微有代表性的接口实现 以下基于 Linux 内核源码 4.19 ，刚看是看的时候，有点摸不着头脑，因为定义的地方和引用的地方较多，不太容易找到，后来才慢慢得窥门径。 2.2.1 原子变量结构体 typedef struct { int counter ; } atomic_t ; 结构体名称 ： atomic_t 文件位置 ： include/linux/types.h 主要作用 ：原子变量结构体，该结构体只包含一个整型成员变量 counter ，用于存储原子变量的值。 2.2.2 设置原子变量操作 2.2.2.1 ATOMIC_INIT #define ATOMIC_INIT(i) { (i) } 函数介绍 ：定义了一个ATOMIC类型的变量，并初始化为给定的值。 文件位置 ： arch/arm/include/asm/atomic.h ，由 include/linux/atomic.h 引用 实现方法 ：这个宏定义比较简单，通过大括号将值包裹起来作为一个结构体，结构体的第一个成员就用就是给定的该值。 2.2.2.2 atomic_set #define atomic_set(v,i) counter), (i)) ​ #define WRITE_ONCE(x, val) \ ({ \ union { typeof(x) __val; char __c ; } __u = \ { .__val = (__force typeof(x)) (val) }; \ __write_once_size(&(x), __u.__c, sizeof(x)); \ __u.__val; \ }) ​ static __always_inline void __write_once_size ( volatile void * p , void * res , int size ) { switch ( size ) { case 1 : * ( volatile __u8 * ) p = * ( __u8 * ) res ; break ; case 2 : * ( volatile __u16 * ) p = * ( __u16 * ) res ; break ; case 4 : * ( volatile __u32 * ) p = * ( __u32 * ) res ; break ; case 8 : * ( volatile __u64 * ) p = * ( __u64 * ) res ; break ; default : barrier (); __builtin_memcpy (( void * ) p , ( const void * ) res , size ); barrier (); } } 函数介绍 ：该函数也用作初始化原子变量 文件位置 ：由 include/linux/atomic.h 引用 arch/arm/include/asm/atomic.h ，再引用 include/linux/compiler.h 实现方式 ：通过调用 WRITE_ONCE 来实现，其中 WRITE_ONCE 宏实现了一些屏蔽编译器优化的技巧，确保写入操作是原子的。 atomic_set 调用 WRITE_ONCE 将 i 的值写入原子变量 counter 中， WRITE_ONCE 以保证操作的原子性 WRITE_ONCE 用来保证操作的原子性 创建 union 联合体，包括 __val 和 __C 成员变量 定义一个 __U 变量，使用强制转换将参数 __val 转换为 typeof(x) 类型，传递给联合体变量 __u.__val 调用 __write_once_size 函数，将 __c 的值写入到 x 指向的内存地址中。 函数返回 __u.__val。 union 联合体 它的特点是存储多种数据类型的值，但是所有成员共享同一个内存空间，这样可以节省内存空间。 主要作用是将一个非字符类型的数据 x 强制转换为一个字符类型的数据，以字符类型数据来访问该区块的内存单元。 __write_once_size 函数实现了操作的原子性，核心有以下几点： 该函数在向内存写入数据时使用了 volatile 关键字，告诉编译器不要进行优化，每次操作都从内存中读取最新的值。 函数中的 switch 语句保证了对不同大小的数据类型使用不同的存储方式，可以保证内存访问的原子性。 对于默认情况，则使用了 __builtin_memcpy 函数进行复制，而这个函数具有原子性。 barrier() 函数指示 CPU 要完成所有之前的内存操作，以及确保执行顺序与其他指令不发生重排。 2.2.3 原子变量的加减 2.2.3.1 ATOMIC_OPS /* * ARMv6 UP and SMP safe atomic ops. We use load exclusive and * store exclusive to ensure that these are atomic. We may loop * to ensure that the update happens. */ ​ #define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \ static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v) \ { \ unsigned long tmp; \ int result; \ \ counter); \ __asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n" \ "1: ldrex %0, \n" \ " " #asm_op " %0, %0, %4\n" \ " strex %1, %0, \n" \ " teq %1, #0\n" \ " bne 1b" \ counter) \ counter), "Ir" (i) \ : "cc"); \ } \ ​ #define ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op) \ static inline int atomic_##op##_return_relaxed(int i, atomic_t *v) \ { \ unsigned long tmp; \ int result; \ \ counter); \ \ __asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "_return\n" \ "1: ldrex %0, \n" \ " " #asm_op " %0, %0, %4\n" \ " strex %1, %0, \n" \ " teq %1, #0\n" \ " bne 1b" \ counter) \ counter), "Ir" (i) \ : "cc"); \ \ return result; \ } ​ #define ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op) \ static inline int atomic_fetch_##op##_relaxed(int i, atomic_t *v) \ { \ unsigned long tmp; \ int result, val; \ \ counter); \ \ __asm__ __volatile__("@ atomic_fetch_" #op "\n" \ "1: ldrex %0, \n" \ " " #asm_op " %1, %0, %5\n" \ " strex %2, %1, \n" \ " teq %2, #0\n" \ " bne 1b" \ counter) \ counter), "Ir" (i) \ : "cc"); \ \ return result; \ } ​ #define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op) \ ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \ ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op) \ ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op) 找 atomic_add 找半天，还找到了不同的架构下面。:( 原来内核通过各种宏定义将其操作全部管理起来，宏定义在内核中的使用也是非常广泛了。 函数作用 ：通过一些列宏定义，来实现原子变量的 add 、 sub 、 and 、 or 等原子变量操作 文件位置 ： arch/arm/include/asm/atomic.h 实现方式 ： 我们以 atomic_##op 为例来介绍，其他大同小异！ #define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \ static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v) \ { \ unsigned long tmp; \ int result; \ \ counter); \ __asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n" \ "1: ldrex %0, \n" \ " " #asm_op " %0, %0, %4\n" \ " strex %1, %0, \n" \ " teq %1, #0\n" \ " bne 1b" \ counter) \ counter), "Ir" (i) \ : "cc"); \ } 首先是函数名称 atomic_##op ，通过 ## 来实现字符串的拼接，使函数名称可变，如 atomic_add 、 atomic_sub 等 调用 prefetchw 函数，预取数据到 L1 缓存，方便操作，提高程序性能，但是不要滥用。 __asm__ __volatile__ ：表示汇编指令 "@ atomic_" #op "\n" ：为汇编注释 "1: ldrex %0, \n" ：将 %3 存储地址的数据，读入到 %0 地址中， ldrex 为独占式的读取操作。 " " #asm_op " %0, %0, %4\n" ： " #asm_op " 表示作为宏定义传进来的参数，表示不同的操作码 add 、 sub 等，操作 %0 和 %4 对应的地址的值，并将结果返回到 %0 地址处 " strex %1, %0, \n" ：表示将 %0 地址处的值写入 %3 地址处， strex 为独占式的写操作，写入的结果会返回到 %1 地址中 " teq %1, #0\n" ：测试 %1 寄存器的值是否为0，如果不等于0，则执行下面的 " bne 1b" 操作，跳转到 1 代码标签的位置，也就是 ldrex 前面的 1 的位置 counter) ：根据汇编语法，前两个为输出操作数，第三个为输入输出操作数 counter), "Ir" (i) ：根据汇编语法，这两个为输入操作数 : "cc" ：表示可能会修改条件码寄存器，编译期间需要优化。 通过 ldrex 和 strex 两个独占式的操作，保证了读写的原子性。 2.2.3.2 atomic _ add和atomic _ sub定义 ATOMIC_OPS ( add , += , add ) ATOMIC_OPS ( sub , -= , sub ) 通过宏定义来实现 atomic_add 和 atomic_sub 的定义，下面我们就不一一分析了，原理都是通过 ARM 提供的 ldrex strex 也就是我们常说的 Load 和 Store 指令实现读取操作，确保操作的原子性。 3、位原子操作 3.1 API接口 void set_bit ( nr , void * addr ); // 设置位：设置addr地址的第nr位，所谓设置位即是将位写为1 void clear_bit ( nr , void * addr ); // 清除位：清除addr地址的第nr位，所谓清除位即是将位写为0 void change_bit ( nr , void * addr ); // 改变位：对addr地址的第nr位进行反置。 test_bit ( nr , void * addr ); // 测试位：返回addr地址的第nr位。 int test_and_set_bit ( nr , void * addr ); // 测试并设置位 int test_and_clear_bit ( nr , void * addr ); // 测试并清除位 int test_and_change_bit ( nr , void * addr ); // 测试并改变位 3.2 API实现 同样，我们还是简单介绍几个接口，其他核心实现原理相同 3.2.1 set_bit #define set_bit(nr,p) ATOMIC_BITOP(set_bit,nr,p) #define ATOMIC_BITOP(name,nr,p) \ (__builtin_constant_p(nr) ? ____atomic_##name(nr, p) : _##name(nr,p)) extern void _set_bit(int nr, volatile unsigned long * p); /* * These functions are the basis of our bit ops. * * First, the atomic bitops. These use native endian. */ static inline void ____atomic_set_bit(unsigned int bit, volatile unsigned long *p) { unsigned long flags; unsigned long mask = BIT_MASK(bit); p += BIT_WORD(bit); raw_local_irq_save(flags); *p |= mask; raw_local_irq_restore(flags); } #define BIT_MASK(nr) (1UL << ((nr) % BITS_PER_LONG)) #define BIT_WORD(nr) ((nr) / BITS_PER_LONG) #ifdef CONFIG_64BIT #define BITS_PER_LONG 64 #else #define BITS_PER_LONG 32 #endif /* CONFIG_64BIT */ 函数介绍 ：该函数用于原子操作某个地址的某一位。 文件位置 ： /arch/arm/include/asm/bitops.h 实现方式 ： __builtin_constant_p ： GCC 的一个内置函数，用来判断表达式是否为常量，如果为常量，则返回值为1 ____atomic_set_bit 函数中 BIT_MASK ，用于获取操作位的掩码，将要设置的位设置为1，其他为0 BIT_WORD ：确定要操作位的偏移，要偏移多少个字 通过 raw_local_irq_save 和 raw_local_irq_restore 中断屏蔽来保证位操作 *p |= mask; 的原子性 4、总结 该文章主要详细了解了 Linux 内核锁的原子操作，原子操作分为两种：整型变量的原子操作和位原子操作。 整型变量的原子操作：通过 ldrex 和 strex 来实现 位原子操作：通过中断屏蔽来实现。