【深入理解Linux锁机制】三、原子操作

【深入理解Linux内核锁】三、原子操作 #

img

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类型的变量可以在执行期间禁止中断,并保证在访问变量时的原子性。

简单来说,我们可以把原子变量看作为一个标志位,然后再来检测该标志位的值。

其原子性表现在:操作该标志位的值,不可被打断。

Linux内核中,提供了两类原子操作的接口,分别是针对整型变量的原子操作。

image-20230730171728090

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 #

设置原子变量的值的方式有两种:

  1. 通过ATOMIC_INIT宏定义来设置
  2. 通过atomic_set函数来定义
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

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是给定的该值。

2.2.2.2 atomic_set #
// arch/arm/include/asm/atomic.h
#define atomic_set(v,i)	WRITE_ONCE(((v)->counter), (i))

// include/linux/compiler.h
#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:该函数也用作初始化原子变量

文件位置arch/arm/include/asm/atomic.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。

  1. atomic_set调用WRITE_ONCEi的值写入原子变量(v)->counter中,WRITE_ONCE以保证操作的原子性
  2. WRITE_ONCE用来保证操作的原子性,它是怎么实现的呢?
    1. 创建union联合体,包括__val__C成员变量
    2. 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
    3. 调用__write_once_size函数,将__u.__c指向的内存块的内容写入到变量x的内存空间中,大小为sizeof(x)
    4. 函数返回__u.__val,也就是写入的值
  3. union联合体
    1. 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。
    2. 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。
  4. __write_once_size函数实现了操作的原子性,核心有以下几点:
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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。
    4. 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;							\
                                    \
    prefetchw(&v->counter);						\
    __asm__ __volatile__("@ atomic_" #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");							\
}									\

#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;							\
                                    \
    prefetchw(&v->counter);						\
                                    \
    __asm__ __volatile__("@ atomic_" #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;							\
}

#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;						\
                                    \
    prefetchw(&v->counter);						\
                                    \
    __asm__ __volatile__("@ atomic_fetch_" #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;							\
}

#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)
    
ATOMIC_OPS(add, +=, add)
ATOMIC_OPS(sub, -=, sub)

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addsubandor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;							\
                                    \
    prefetchw(&v->counter);						\
    __asm__ __volatile__("@ atomic_" #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");							\
}		
  1. 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_addatomic_sub
  2. 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。
  3. __asm__ __volatile__:表示汇编指令
  4. "@ atomic_" #op "\n":添加汇编注释,也就是我们的函数名字,如:atomic_addatomic_sub
  5. "1: ldrex %0, [%3]\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。
  6. " " #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addsub等,操作%0%4对应的地址的值,并将结果返回到%0地址处
  7. " strex %1, %0, [%3]\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
  8. " 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
  9. : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->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
  10. : "r" (&v->counter), "Ir" (i):根据汇编语法,这两个为输入操作数
  11. : "cc":表示可能会修改条件码寄存器,编译期间需要优化。

总结:上述原子操作,通过ldrexstrex也就是我们说的loadstore指令,来完成数据的读写,同时也保证了其原子性!

这一部分,牵涉到汇编的语法,需要提前了解下基础的汇编指令。

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_addatomic_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LoadStore指令实现读取操作,确保操作的原子性。

3、位原子操作 #

对于位原子操作,内核也提供了一系列的 API接口

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。
int 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

  1. __builtin_constant_pGCC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
  2. ____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
  3. BIT_WORD:确定要操作位的偏移,要偏移多少个字
  4. 最后通过raw_local_irq_saveraw_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ldrexstrex来实现
  • 位原子操作:通过中断屏蔽来实现。
欢迎关注【嵌入式艺术】,董哥原创!
img