Linux内核部件分析 原子性操作atomic_t

在任何处理器平台下，都会有一些原子性操作，供操作系统使用，我们这里只讲x86下面的。在单处理器情况下，每条指令的执行都是原子性的，但在多处理器情况下，只有那些单独的读操作或写操作才是原子性的。为了弥补这一缺点，x86提供了附加的lock前缀，使带lock前缀的读修改写指令也能原子性执行。带lock前缀的指令在操作时会锁住总线，使自身的执行即使在多处理器间也是原子性执行的。xchg指令不带lock前缀也是原子性执行，也就是说xchg执行时默认会锁内存总线。原子性操作是线程间同步的基础，linux专门定义了一种只进行原子操作的类型atomic_t，并提供相关的原子读写调用API。本节就来分析这些原子操作在x86下的实现。

1. typedef struct {
2. volatile int counter;
3. } atomic_t;

原子类型其实是int类型，只是禁止寄存器对其暂存。

1. #define ATOMIC_INIT(i)  { (i) }

原子类型的初始化。32位x86平台下atomic API在arch/x86/include/asm/atomic_32.h中实现。

1. static inline int atomic_read(const atomic_t *v)
2. {
3. return v->counter;
4. }
5. static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i)
6. {
7. v->counter = i;
8. }

单独的读操作或者写操作，在x86下都是原子性的。

1. static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
2. {
3. asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
4. : "+m" (v->counter)
5. : "ir" (i));
6. }
7. static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
8. {
9. asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
10. : "+m" (v->counter)
11. : "ir" (i));
12. }

atomic_add和atomic_sub属于读修改写操作，实现时需要加lock前缀。

1. static inline int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
2. {
3. unsigned char c;
4. asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"
5. : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
6. : "ir" (i) : "memory");
7. return c;
8. }

atomic_sub_and_test执行完减操作后检查结果是否为0。

1. static inline void atomic_inc(atomic_t *v)
2. {
3. asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"
4. : "+m" (v->counter));
5. }
6. static inline void atomic_dec(atomic_t *v)
7. {
8. asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0"
9. : "+m" (v->counter));
10. }

atomic_inc和atomic_dec是递增递减操作。

1. static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
2. {
3. unsigned char c;
4. asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"
5. : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
6. : : "memory");
7. return c != 0;
8. }

atomic_dec_and_test在递减后检查结果是否为0。

1. static inline int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
2. {
3. unsigned char c;
4. asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"
5. : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
6. : : "memory");
7. return c != 0;
8. }

atomic_inc_and_test在递增后检查结果是否为0。

1. static inline int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
2. {
3. unsigned char c;
4. asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %2,%0; sets %1"
5. : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
6. : "ir" (i) : "memory");
7. return c;
8. }

atomic_add_negative在加操作后检查结果是否为负数。

1. static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
2. {
3. int __i;
4. #ifdef CONFIG_M386
5. unsigned long flags;
6. if (unlikely(boot_cpu_data.x86 <= 3))
7. goto no_xadd;
8. #endif
9. /* Modern 486+ processor */
10. __i = i;
11. asm volatile(LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1"
12. : "+r" (i), "+m" (v->counter)
13. : : "memory");
14. return i + __i;
15. #ifdef CONFIG_M386
16. no_xadd: /* Legacy 386 processor */
17. local_irq_save(flags);
18. __i = atomic_read(v);
19. atomic_set(v, i + __i);
20. local_irq_restore(flags);
21. return i + __i;
22. #endif
23. }

atomic_add_return 不仅执行加操作，而且把相加的结果返回。它是通过xadd这一指令实现的。

1. static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
2. {
3. return atomic_add_return(-i, v);
4. }

atomic_sub_return 不仅执行减操作，而且把相减的结果返回。它是通过atomic_add_return实现的。

1. static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new)
2. {
3. return cmpxchg(&v->counter, old, new);
4. }
5. #define cmpxchg(ptr, o, n)                      \
6. ((__typeof__(*(ptr)))__cmpxchg((ptr), (unsigned long)(o),   \
7. (unsigned long)(n),      \
8. sizeof(*(ptr))))
9. static inline unsigned long __cmpxchg(volatile void *ptr, unsigned long old,
10. unsigned long new, int size)
11. {
12. unsigned long prev;
13. switch (size) {
14. case 1:
15. asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgb %b1,%2"
16. : "=a"(prev)
17. : "q"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
18. : "memory");
19. return prev;
20. case 2:
21. asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgw %w1,%2"
22. : "=a"(prev)
23. : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
24. : "memory");
25. return prev;
26. case 4:
27. asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgl %k1,%2"
28. : "=a"(prev)
29. : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
30. : "memory");
31. return prev;
32. case 8:
33. asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgq %1,%2"
34. : "=a"(prev)
35. : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
36. : "memory");
37. return prev;
38. }
39. return old;
40. }

atomic_cmpxchg是由cmpxchg指令完成的。它把旧值同atomic_t类型的值相比较，如果相同，就把新值存入atomic_t类型的值中，返回atomic_t类型变量中原有的值。

1. static inline int atomic_xchg(atomic_t *v, int new)
2. {
3. return xchg(&v->counter, new);
4. }
5. #define xchg(ptr, v)                            \
6. ((__typeof__(*(ptr)))__xchg((unsigned long)(v), (ptr), sizeof(*(ptr))))
7. static inline unsigned long __xchg(unsigned long x, volatile void *ptr,
8. int size)
9. {
10. switch (size) {
11. case 1:
12. asm volatile("xchgb %b0,%1"
13. : "=q" (x)
14. : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
15. : "memory");
16. break;
17. case 2:
18. asm volatile("xchgw %w0,%1"
19. : "=r" (x)
20. : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
21. : "memory");
22. break;
23. case 4:
24. asm volatile("xchgl %k0,%1"
25. : "=r" (x)
26. : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
27. : "memory");
28. break;
29. case 8:
30. asm volatile("xchgq %0,%1"
31. : "=r" (x)
32. : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
33. : "memory");
34. break;
35. }
36. return x;
37. }

atomic_xchg则是将新值存入atomic_t类型的变量，并将变量的旧值返回。它使用xchg指令实现。

1. /**
2. * atomic_add_unless - add unless the number is already a given value
3. * @v: pointer of type atomic_t
4. * @a: the amount to add to v...
5. * @u: ...unless v is equal to u.
6. *
7. * Atomically adds @a to @v, so long as @v was not already @u.
8. * Returns non-zero if @v was not @u, and zero otherwise.
9. */
10. static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u)
11. {
12. int c, old;
13. c = atomic_read(v);
14. for (;;) {
15. if (unlikely(c == (u)))
16. break;
17. old = atomic_cmpxchg((v), c, c + (a));
18. if (likely(old == c))
19. break;
20. c = old;
21. }
22. return c != (u);
23. }

atomic_add_unless的功能比较特殊。它检查v是否等于u，如果不是则把v的值加上a，返回值表示相加前v是否等于u。因为在atomic_read和atomic_cmpxchg中间可能有其它的写操作，所以要循环检查自己的值是否被写进去。

1. #define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)
2. #define atomic_inc_return(v)  (atomic_add_return(1, v))
3. #define atomic_dec_return(v)  (atomic_sub_return(1, v))

atomic_inc_not_zero在v值不是0时加1。

atomic_inc_return对v值加1，并返回相加结果。

atomic_dec_return对v值减1，并返回相减结果。

1. #define atomic_clear_mask(mask, addr)               \
2. asm volatile(LOCK_PREFIX "andl %0,%1"           \
3. : : "r" (~(mask)), "m" (*(addr)) : "memory")

atomic_clear_mask清除变量某些位。

1. #define atomic_set_mask(mask, addr)             \
2. asm volatile(LOCK_PREFIX "orl %0,%1"                \
3. : : "r" (mask), "m" (*(addr)) : "memory")

atomic_set_mask将变量的某些位置位。

1. /* Atomic operations are already serializing on x86 */
2. #define smp_mb__before_atomic_dec() barrier()
3. #define smp_mb__after_atomic_dec()  barrier()
4. #define smp_mb__before_atomic_inc() barrier()
5. #define smp_mb__after_atomic_inc()  barrier()

因为x86的atomic操作大多使用原子指令或者带lock前缀的指令。带lock前缀的指令执行前会完成之前的读写操作，对于原子操作来说不会受之前对同一位置的读写操作，所以这里只是用空操作barrier()代替。barrier()的作用相当于告诉编译器这里有一个内存屏障，放弃在寄存器中的暂存值，重新从内存中读入。

本节的atomic_t类型操作是最基础的，为了介绍下面的内容，必须先介绍它。如果可以使用atomic_t类型代替临界区操作，也可以加快不少速度。