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詳解Linux內(nèi)核鎖的原子操作

2023-07-04 14:22:16 來(lái)源：嵌入式藝術(shù)

1、原子操作思想

原子操作（atomic operation），不可分割的操作。其通過(guò)原子變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，以保證單個(gè)CPU周期內(nèi)，讀寫(xiě)該變量，不能被打斷，進(jìn)而判斷該變量的值，來(lái)解決并發(fā)引起的互斥。

Atomic類型的函數(shù)可以在執(zhí)行期間禁止中斷，并保證在訪問(wèn)變量時(shí)的原子性。

同時(shí)，Linux內(nèi)核提供了兩類原子操作的接口，分別是針對(duì)位和整型變量的原子操作。

(相關(guān)資料圖)

2、整型變量原子操作

2.1 API接口

對(duì)于整形變量的原子操作，內(nèi)核提供了一系列的 API接口

/*設(shè)置原子變量的值*/atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);            /* 定義原子變量v并初始化為0 */void atomic_set(atomic_t *v, int i);    /* 設(shè)置原子變量的值為i *//*獲取原子變量的值*/atomic_read(atomic_t *v);          /* 返回原子變量的值*//*原子變量的加減*/void atomic_add(int i, atomic_t *v);      /* 原子變量增加i */void atomic_sub(int i, atomic_t *v);      /* 原子變量減少i *//*原子變量的自增，自減*/void atomic_inc(atomic_t *v);    /* 原子變量增加1 */void atomic_dec(atomic_t *v);        /* 原子變量減少1 *//*原子變量的操作并測(cè)試*/int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);  /*進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作后，測(cè)試原子變量值是否為0*/int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);/*原子變量的操作并返回*/int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); /*進(jìn)行對(duì)應(yīng)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實(shí)現(xiàn)

我們下面就介紹幾個(gè)稍微有代表性的接口實(shí)現(xiàn)
以下基于Linux內(nèi)核源碼4.19，剛看是看的時(shí)候，有點(diǎn)摸不著頭腦，因?yàn)槎x的地方和引用的地方較多，不太容易找到，后來(lái)才慢慢得窺門(mén)徑。

2.2.1 原子變量結(jié)構(gòu)體

typedef struct {    int counter;} atomic_t;

結(jié)構(gòu)體名稱：atomic_t

文件位置：include/linux/types.h

主要作用：原子變量結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體只包含一個(gè)整型成員變量counter，用于存儲(chǔ)原子變量的值。

2.2.2 設(shè)置原子變量操作

2.2.2.1 ATOMIC_INIT

#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

函數(shù)介紹：定義了一個(gè)ATOMIC類型的變量，并初始化為給定的值。

文件位置：arch/arm/include/asm/atomic.h，由include/linux/atomic.h引用

實(shí)現(xiàn)方法：這個(gè)宏定義比較簡(jiǎn)單，通過(guò)大括號(hào)將值包裹起來(lái)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員就用就是給定的該值。

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();    }}

函數(shù)介紹：該函數(shù)也用作初始化原子變量

文件位置：由include/linux/atomic.h引用arch/arm/include/asm/atomic.h，再引用include/linux/compiler.h

實(shí)現(xiàn)方式：通過(guò)調(diào)用WRITE_ONCE來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中WRITE_ONCE宏實(shí)現(xiàn)了一些屏蔽編譯器優(yōu)化的技巧，確保寫(xiě)入操作是原子的。

atomic_set調(diào)用WRITE_ONCE將i的值寫(xiě)入原子變量(v)->counter中，WRITE_ONCE以保證操作的原子性WRITE_ONCE用來(lái)保證操作的原子性創(chuàng)建union聯(lián)合體，包括__val和__C成員變量定義一個(gè)__U變量，使用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換將參數(shù)__val轉(zhuǎn)換為typeof(x)類型，傳遞給聯(lián)合體變量__u.__val調(diào)用__write_once_size函數(shù)，將__c的值寫(xiě)入到x指向的內(nèi)存地址中。函數(shù)返回__u.__val。union聯(lián)合體它的特點(diǎn)是存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)類型的值，但是所有成員共享同一個(gè)內(nèi)存空間，這樣可以節(jié)省內(nèi)存空間。主要作用是將一個(gè)非字符類型的數(shù)據(jù)x強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為一個(gè)字符類型的數(shù)據(jù)，以字符類型數(shù)據(jù)來(lái)訪問(wèn)該區(qū)塊的內(nèi)存單元。__write_once_size函數(shù)實(shí)現(xiàn)了操作的原子性，核心有以下幾點(diǎn)：該函數(shù)在向內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)使用了volatile關(guān)鍵字，告訴編譯器不要進(jìn)行優(yōu)化，每次操作都從內(nèi)存中讀取最新的值。函數(shù)中的switch語(yǔ)句保證了對(duì)不同大小的數(shù)據(jù)類型使用不同的存儲(chǔ)方式，可以保證內(nèi)存訪問(wèn)的原子性。對(duì)于默認(rèn)情況，則使用了__builtin_memcpy函數(shù)進(jìn)行復(fù)制，而這個(gè)函數(shù)具有原子性。barrier()函數(shù)指示CPU要完成所有之前的內(nèi)存操作，以及確保執(zhí)行順序與其他指令不發(fā)生重排。

2.2.3 原子變量的加減

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)

找atomic_add找半天，還找到了不同的架構(gòu)下面。:(
原來(lái)內(nèi)核通過(guò)各種宏定義將其操作全部管理起來(lái)，宏定義在內(nèi)核中的使用也是非常廣泛了。

函數(shù)作用：通過(guò)一些列宏定義，來(lái)實(shí)現(xiàn)原子變量的add、sub、and、or等原子變量操作

文件位置：arch/arm/include/asm/atomic.h

實(shí)現(xiàn)方式：

我們以atomic_##op為例來(lái)介紹，其他大同小異！

#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");       \\}

首先是函數(shù)名稱atomic_##op，通過(guò)##來(lái)實(shí)現(xiàn)字符串的拼接，使函數(shù)名稱可變，如atomic_add、atomic_sub等調(diào)用prefetchw函數(shù)，預(yù)取數(shù)據(jù)到L1緩存，方便操作，提高程序性能，但是不要濫用。__asm__ __volatile__：表示匯編指令"@ atomic_" #op "\\n"：為匯編注釋"1: ldrex %0, [%3]\\n"：將%3存儲(chǔ)地址的數(shù)據(jù)，讀入到%0地址中，ldrex為獨(dú)占式的讀取操作。" " #asm_op " %0, %0, %4\\n"：" #asm_op "表示作為宏定義傳進(jìn)來(lái)的參數(shù)，表示不同的操作碼add、sub等，操作%0和%4對(duì)應(yīng)的地址的值，并將結(jié)果返回到%0地址處" strex %1, %0, [%3]\\n"：表示將%0地址處的值寫(xiě)入%3地址處，strex為獨(dú)占式的寫(xiě)操作，寫(xiě)入的結(jié)果會(huì)返回到%1地址中" teq %1, #0\\n"：測(cè)試%1寄存器的值是否為0，如果不等于0，則執(zhí)行下面的" bne 1b"操作，跳轉(zhuǎn)到1代碼標(biāo)簽的位置，也就是ldrex前面的1的位置: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)：根據(jù)匯編語(yǔ)法，前兩個(gè)為輸出操作數(shù)，第三個(gè)為輸入輸出操作數(shù): "r" (&v->counter), "Ir" (i)：根據(jù)匯編語(yǔ)法，這兩個(gè)為輸入操作數(shù): "cc"：表示可能會(huì)修改條件碼寄存器，編譯期間需要優(yōu)化。

通過(guò)ldrex和strex兩個(gè)獨(dú)占式的操作，保證了讀寫(xiě)的原子性。

2.2.3.2 atomic_add和atomic_sub定義

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

通過(guò)宏定義來(lái)實(shí)現(xiàn)atomic_add和atomic_sub的定義，下面我們就不一一分析了，原理都是通過(guò)ARM提供的ldrexstrex也就是我們常說(shuō)的Load和Store指令實(shí)現(xiàn)讀取操作，確保操作的原子性。

3、位原子操作

3.1 API接口

void set_bit(nr, void *addr);  // 設(shè)置位：設(shè)置addr地址的第nr位，所謂設(shè)置位即是將位寫(xiě)為1void clear_bit(nr, void *addr);  // 清除位：清除addr地址的第nr位，所謂清除位即是將位寫(xiě)為0void change_bit(nr, void *addr); // 改變位：對(duì)addr地址的第nr位進(jìn)行反置。test_bit(nr, void *addr);   // 測(cè)試位：返回addr地址的第nr位。int test_and_set_bit(nr, void *addr);// 測(cè)試并設(shè)置位int test_and_clear_bit(nr, void *addr); // 測(cè)試并清除位int test_and_change_bit(nr, void *addr);// 測(cè)試并改變位

3.2 API實(shí)現(xiàn)

同樣，我們還是簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)接口，其他核心實(shí)現(xiàn)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 */

函數(shù)介紹：該函數(shù)用于原子操作某個(gè)地址的某一位。

文件位置：/arch/arm/include/asm/bitops.h

實(shí)現(xiàn)方式：

__builtin_constant_p：GCC的一個(gè)內(nèi)置函數(shù)，用來(lái)判斷表達(dá)式是否為常量，如果為常量，則返回值為1____atomic_set_bit函數(shù)中BIT_MASK，用于獲取操作位的掩碼，將要設(shè)置的位設(shè)置為1，其他為0BIT_WORD：確定要操作位的偏移，要偏移多少個(gè)字通過(guò)raw_local_irq_save和raw_local_irq_restore中斷屏蔽來(lái)保證位操作*p |= mask;的原子性