【深入理解Linux内核锁】三、原子操作 #
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。
在Linux
内核中,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 #
设置原子变量的值的方式有两种:
- 通过
ATOMIC_INIT
宏定义来设置- 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。
atomic_set
调用WRITE_ONCE
将i
的值写入原子变量(v)->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,它是怎么实现的呢?- 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__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)
。 - 函数返回
__u.__val
,也就是写入的值
- 创建
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。
- 该函数在向内存写入数据时使用了
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)
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; \
\
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"); \
}
- 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"
:添加汇编注释,也就是我们的函数名字,如:atomic_add
、atomic_sub
"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。" " #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, [%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" 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: "=&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: "r" (&v->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。
总结:上述原子操作,通过ldrex
和strex
也就是我们说的load
和store
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_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 #
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:
__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0BIT_WORD
:确定要操作位的偏移,要偏移多少个字- 最后通过
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。