【深入理解linux内核锁】三、原子操作
1、原子操作概念
原子操作（atomic operation）是不可分割的操作。其通过原子变量实现，确保在单个CPU周期内，读写该变量不会被中断，从而通过判断该变量的值来解决并发引起的互斥问题。
Atomic类型的函数在执行期间可以禁止中断，并保证访问变量时的原子性。
同时，Linux内核提供了两种原子操作接口，分别针对位和整型变量。
2、整型变量原子操作
2.1 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 */ <p>/<em>获取原子变量的值</em>/ atomic_read(atomic_t <em>v); /</em> 返回原子变量的值*/</p><p>/<em>原子变量的加减</em>/ void atomic_add(int i, atomic_t <em>v); /</em> 原子变量增加i <em>/ void atomic_sub(int i, atomic_t </em>v); /<em> 原子变量减少i </em>/</p><p>/<em>原子变量的自增，自减</em>/ void atomic_inc(atomic_t <em>v); /</em> 原子变量增加1 <em>/ void atomic_dec(atomic_t </em>v); /<em> 原子变量减少1 </em>/</p><p>/<em>原子变量的操作并测试</em>/ int atomic_inc_and_test(atomic_t <em>v); /</em>进行对应操作后，测试原子变量值是否为0<em>/ int atomic_dec_and_test(atomic_t </em>v); int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);</p><p>/<em>原子变量的操作并返回</em>/ int atomic_add_return(int i, atomic_t <em>v); /</em>进行对应操作后，返回新的值<em>/ int atomic_sub_return(int i, atomic_t </em>v); int atomic_inc_return(atomic_t <em>v); int atomic_dec_return(atomic_t </em>v);
2.2 API实现
2.2.1 原子变量结构体
typedef struct {<br />
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，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：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是给定的该值。
2.2.2.2 atomic_set
#define atomic_set(v,i) WRITE_ONCE(((v)->counter), (i))</p><h1>define WRITE_ONCE(x, val) \</h1><p>({ \
union { typeof(x) <strong>val; char </strong>c[1]; } <strong>u = \
{ .</strong>val = (<strong>force typeof(x)) (val) }; \
</strong>write_once_size(&(x), <strong>u.</strong>c, sizeof(x)); \
<strong>u.</strong>val; \
})
static <strong>always_inline void <strong>write_once_size(volatile void <em>p, void </em>res, int size)
{
switch (size) {
case 1: *(volatile </strong>u8 <em>)p = </em>(<strong>u8 <em>)res; break;
case 2: </em>(volatile </strong>u16 <em>)p = </em>(<strong>u16 <em>)res; break;
case 4: </em>(volatile </strong>u32 <em>)p = </em>(<strong>u32 <em>)res; break;
case 8: </em>(volatile </strong>u64 <em>)p = </em>(<strong>u64 *)res; break;
default:
barrier();
</strong>builtin_memcpy((void <em>)p, (const void </em>)res, size);
barrier();
}
}函数介绍：该函数用于初始化原子变量。
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(v)->counter中，WRITE_ONCE确保操作的原子性。WRITE_ONCE通过创建union联合体来确保操作的原子性，联合体的特点是所有成员共享同一个内存空间。write_once_size函数使用volatile关键字保证操作的原子性，并根据不同数据类型的大小进行相应的存储操作。
2.2.3 原子变量的加减
2.2.3.1 ATOMIC_OPS
/* </p><ul><li>ARMv6 UP and SMP safe atomic ops. We use load exclusive and </li><li>store exclusive to ensure that these are atomic. We may loop </li><li>to ensure that the update happens.
*/<h1>define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \</h1><p>static inline void atomic_##op(int i, atomic<em>t *v) \
{ \
unsigned long tmp; \
int result; \
\
prefetchw(&v->counter); \
<strong>asm</strong> <strong>volatile</strong>("@ atomic</em>" #op "\n" \
"1: ldrex %0, [%3]\n" \
" " #asm_op " %0, %0, %4\n" \
" strex %1, %0, [%3]\n" \
" teq %1, #0\n" \
" bne 1b" \
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) \
: "r" (&v->counter), "Ir" (i) \
: "cc"); \
} </p><h1>define ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op) \</h1><p>static inline int atomic_##op##_return_relaxed(int i, atomic<em>t *v) \
{ \
unsigned long tmp; \
int result; \
\
prefetchw(&v->counter); \
\
<strong>asm</strong> <strong>volatile</strong>("@ atomic</em>" #op "_return\n" \
"1: ldrex %0, [%3]\n" \
" " #asm_op " %0, %0, %4\n" \
" strex %1, %0, [%3]\n" \
" teq %1, #0\n" \
" bne 1b" \
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) \
: "r" (&v->counter), "Ir" (i) \
: "cc"); \
\
return result; \
}</p><h1>define ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op) \</h1><p>static inline int atomic<em>fetch</em>##op##_relaxed(int i, atomic_t *v) \
{ \
unsigned long tmp; \
int result, val; \
\
prefetchw(&v->counter); \
\
<strong>asm</strong> <strong>volatile</strong>("@ atomic<em>fetch</em>" #op "\n" \
"1: ldrex %0, [%4]\n" \
" " #asm_op " %1, %0, %5\n" \
" strex %2, %1, [%4]\n" \
" teq %2, #0\n" \
" bne 1b" \
: "=&r" (result), "=&r" (val), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) \
: "r" (&v->counter), "Ir" (i) \
: "cc"); \
\
return result; \
}</p><h1>define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op) \</h1><p>ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \
ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op) \
ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op)函数作用：通过一系列宏定义，实现原子变量的add、sub、and、or等原子操作。
文件位置：arch/arm/include/asm/atomic.h
实现方式：ATOMIC_OP宏通过汇编指令实现原子操作。prefetchw预取数据到L1缓存，提高性能。ldrex和strex用于独占式读取和写入操作，确保操作的原子性。如果写入失败，则会循环重试。
2.2.3.2 atomic_add和atomic_sub定义
ATOMIC_OPS(add, +=, add) ATOMIC_OPS(sub, -=, sub)
3、位原子操作
3.1 API接口
void set_bit(nr, void <em>addr); // 设置位：将addr地址的第nr位设置为1 void clear_bit(nr, void </em>addr); // 清除位：将addr地址的第nr位设置为0 void change_bit(nr, void <em>addr); // 改变位：对addr地址的第nr位进行反置。 test_bit(nr, void </em>addr); // 测试位：返回addr地址的第nr位。 int test_and_set_bit(nr, void <em>addr); // 测试并设置位 int test_and_clear_bit(nr, void </em>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
3.2.1 set_bit
#define set_bit(nr,p) ATOMIC_BITOP(set_bit,nr,p)</p><h1>define ATOMIC_BITOP(name,nr,p) \</h1><p>(<strong>builtin_constant_p(nr) ? __</strong>atomic<em>##name(nr, p) : </em>##name(nr,p))
extern void _set_bit(int nr, volatile unsigned long <em> p);
/</em> </p></li><li>These functions are the basis of our bit ops. </li><li></li><li>First, the atomic bitops. These use native endian.
<em>/
static inline void ____atomic_set_bit(unsigned int bit, volatile unsigned long </em>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);
}<h1>define BIT_MASK(nr) (1UL 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：<strong>builtin_constant_p</strong>用于判断表达式是否为常量。如果是常量，则调用__atomic_set_bit函数。____atomic_set_bit通过中断屏蔽来保证位操作的原子性。BIT_MASK获取操作位的掩码，BIT_WORD确定要操作位的偏移。
4、总结
本文详细探讨了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。
