【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 *//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
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，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))define WRITE_ONCE(x, val)
({ union { typeof(x) val; char c[1]; } 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
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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
/*
- 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, atomict *v) { unsigned long tmp; int result; \prefetchw(&v->counter); asm volatile("@ atomic" #op "n" "1: ldrex %0, [%3]n" " " #asm_op " %0, %0, %4n" " strex %1, %0, [%3]n" " teq %1, #0n" " bne 1b" : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) : "r" (&v->counter), "Ir" (i) : "cc"); }
define ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op)
static inline int atomic_##op##_return_relaxed(int i, atomict *v) { unsigned long tmp; int result; \prefetchw(&v->counter); \asm volatile("@ atomic" #op "_returnn" "1: ldrex %0, [%3]n" " " #asm_op " %0, %0, %4n" " strex %1, %0, [%3]n" " teq %1, #0n" " bne 1b" : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) : "r" (&v->counter), "Ir" (i) : "cc"); \return result; }
define ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op)
static inline int atomicfetch##op##_relaxed(int i, atomic_t *v) { unsigned long tmp; int result, val; \prefetchw(&v->counter); \asm volatile("@ atomicfetch" #op "n" "1: ldrex %0, [%4]n" " " #asm_op " %1, %0, %5n" " strex %2, %1, [%4]n" " teq %2, #0n" " bne 1b" : "=&r" (result), "=&r" (val), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) : "r" (&v->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)
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 addr); // 设置位：将addr地址的第nr位设置为1void clear_bit(nr, void addr); // 清除位：将addr地址的第nr位设置为0void 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
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
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。
以上就是【深入理解Linux内核锁】| 原子操作的详细内容，更多请关注创想鸟其它相关文章！
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