linux 原子性操作atomic_t

在任何处理器平台下，都会有一些原子性操作，供操作系统使用，我们这里只讲x86下面的。在单处理器情况下，每条指令的执行都是原子性的，但在多处理器情况下，只有那些单独的读操作或写操作才是原子性的。为了弥补这一缺点，x86提供了附加的lock前缀，使带lock前缀的读修改写指令也能原子性执行。带lock前缀的指令在操作时会锁住总线，使自身的执行即使在多处理器间也是原子性执行的。xchg指令不带lock前缀也是原子性执行，也就是说xchg执行时默认会锁内存总线。原子性操作是线程间同步的基础，linux专门定义了一种只进行原子操作的类型atomic_t，并提供相关的原子读写调用API。本节就来分析这些原子操作在x86下的实现。 

typedef struct {   

    volatile int counter;   

} atomic_t;  

原子类型其实是int类型，只是禁止寄存器对其暂存。

#define ATOMIC_INIT(i)  { (i) }  

原子类型的初始化。32位x86平台下atomic API在arch/x86/include/asm/atomic_32.h中实现。

static inline int atomic_read(const atomic_t *v)   

{   

    return v->counter;   

}   

   

static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i)   

{   

    v->counter = i;   

}  

单独的读操作或者写操作，在x86下都是原子性的。

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)   

{   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"   

             : "+m" (v->counter)   

             : "ir" (i));   

}   

   

static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)   

{   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"   

             : "+m" (v->counter)   

             : "ir" (i));   

}  

atomic_add和atomic_sub属于读修改写操作，实现时需要加lock前缀。

static inline int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)   

{   

    unsigned char c;   

   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"   

             : "+m" (v->counter), "=qm" (c)   

             : "ir" (i) : "memory");   

    return c;   

}  

atomic_sub_and_test执行完减操作后检查结果是否为0。

static inline void atomic_inc(atomic_t *v)   

{   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"   

             : "+m" (v->counter));   

}   

   

static inline void atomic_dec(atomic_t *v)   

{   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0"   

             : "+m" (v->counter));   

}  

atomic_inc和atomic_dec是递增递减操作。

static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)   

{   

    unsigned char c;   

   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"   

             : "+m" (v->counter), "=qm" (c)   

             : : "memory");   

    return c != 0;   

}  

atomic_dec_and_test在递减后检查结果是否为0。

static inline int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)   

{   

    unsigned char c;   

   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"   

             : "+m" (v->counter), "=qm" (c)   

             : : "memory");   

    return c != 0;   

}  

atomic_inc_and_test在递增后检查结果是否为0。

static inline int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)   

{   

    unsigned char c;   

   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %2,%0; sets %1"   

             : "+m" (v->counter), "=qm" (c)   

             : "ir" (i) : "memory");   

    return c;   

}  

atomic_add_negative在加操作后检查结果是否为负数。

static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)   

{   

    int __i;   

#ifdef CONFIG_M386    

    unsigned long flags;   

    if (unlikely(boot_cpu_data.x86 <= 3))   

        goto no_xadd;   

#endif    

    /* Modern 486+ processor */   

    __i = i;   

    asm volatile(LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1"   

             : "+r" (i), "+m" (v->counter)   

             : : "memory");   

    return i + __i;   

   

#ifdef CONFIG_M386    

no_xadd: /* Legacy 386 processor */   

    local_irq_save(flags);   

    __i = atomic_read(v);   

    atomic_set(v, i + __i);   

    local_irq_restore(flags);   

    return i + __i;   

#endif    

}  

atomic_add_return 不仅执行加操作，而且把相加的结果返回。它是通过xadd这一指令实现的。

static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)   

{   

    return atomic_add_return(-i, v);   

}  

atomic_sub_return 不仅执行减操作，而且把相减的结果返回。它是通过atomic_add_return实现的。

static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new)   

{   

    return cmpxchg(&v->counter, old, new);   

}   

   

#define cmpxchg(ptr, o, n)                      \    

    ((__typeof__(*(ptr)))__cmpxchg((ptr), (unsigned long)(o),   \   

                       (unsigned long)(n),      \   

                       sizeof(*(ptr))))   

   

static inline unsigned long __cmpxchg(volatile void *ptr, unsigned long old,   

                      unsigned long new, int size)   

{   

    unsigned long prev;   

    switch (size) {   

    case 1:   

        asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgb %b1,%2"   

                 : "=a"(prev)   

                 : "q"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)   

                 : "memory");   

        return prev;   

    case 2:   

        asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgw %w1,%2"   

                 : "=a"(prev)   

                 : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)   

                 : "memory");   

        return prev;   

    case 4:   

        asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgl %k1,%2"   

                 : "=a"(prev)   

                 : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)   

                 : "memory");   

        return prev;   

    case 8:   

        asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgq %1,%2"   

                 : "=a"(prev)   

                 : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)   

                 : "memory");   

        return prev;   

    }   

    return old;   

}  

atomic_cmpxchg是由cmpxchg指令完成的。它把旧值同atomic_t类型的值相比较，如果相同，就把新值存入atomic_t类型的值中，返回atomic_t类型变量中原有的值。

static inline int atomic_xchg(atomic_t *v, int new)   

{   

    return xchg(&v->counter, new);   

}   

   

#define xchg(ptr, v)                            \    

    ((__typeof__(*(ptr)))__xchg((unsigned long)(v), (ptr), sizeof(*(ptr))))   

   

static inline unsigned long __xchg(unsigned long x, volatile void *ptr,   

                   int size)   

{   

    switch (size) {   

    case 1:   

        asm volatile("xchgb %b0,%1"   

                 : "=q" (x)   

                 : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)   

                 : "memory");   

        break;   

    case 2:   

        asm volatile("xchgw %w0,%1"   

                 : "=r" (x)   

                 : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)   

                 : "memory");   

        break;   

    case 4:   

        asm volatile("xchgl %k0,%1"   

                 : "=r" (x)   

                 : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)   

                 : "memory");   

        break;   

    case 8:   

        asm volatile("xchgq %0,%1"   

                 : "=r" (x)   

                 : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)   

                 : "memory");   

        break;   

    }   

    return x;   

}  

atomic_xchg则是将新值存入atomic_t类型的变量，并将变量的旧值返回。它使用xchg指令实现。

/**  

 * atomic_add_unless - add unless the number is already a given value  

 * @v: pointer of type atomic_t  

 * @a: the amount to add to v...  

 * @u: ...unless v is equal to u.  

 *  

 * Atomically adds @a to @v, so long as @v was not already @u.  

 * Returns non-zero if @v was not @u, and zero otherwise.  

 */   

static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u)   

{   

    int c, old;   

    c = atomic_read(v);   

    for (;;) {   

        if (unlikely(c == (u)))   

            break;   

        old = atomic_cmpxchg((v), c, c + (a));   

        if (likely(old == c))   

            break;   

        c = old;   

    }   

    return c != (u);   

}  

atomic_add_unless的功能比较特殊。它检查v是否等于u，如果不是则把v的值加上a，返回值表示相加前v是否等于u。因为在atomic_read和atomic_cmpxchg中间可能有其它的写操作，所以要循环检查自己的值是否被写进去。

#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)    

   

#define atomic_inc_return(v)  (atomic_add_return(1, v))    

#define atomic_dec_return(v)  (atomic_sub_return(1, v))  

atomic_inc_not_zero在v值不是0时加1。

atomic_inc_return对v值加1，并返回相加结果。

atomic_dec_return对v值减1，并返回相减结果。

#define atomic_clear_mask(mask, addr)               \    

    asm volatile(LOCK_PREFIX "andl %0,%1"           \   

             : : "r" (~(mask)), "m" (*(addr)) : "memory")  

atomic_clear_mask清除变量某些位。

#define atomic_set_mask(mask, addr)             \    

    asm volatile(LOCK_PREFIX "orl %0,%1"                \   

             : : "r" (mask), "m" (*(addr)) : "memory")  

atomic_set_mask将变量的某些位置位。

/* Atomic operations are already serializing on x86 */   

#define smp_mb__before_atomic_dec() barrier()    

#define smp_mb__after_atomic_dec()  barrier()    

#define smp_mb__before_atomic_inc() barrier()    

#define smp_mb__after_atomic_inc()  barrier()  

因为x86的atomic操作大多使用原子指令或者带lock前缀的指令。带lock前缀的指令执行前会完成之前的读写操作，对于原子操作来说不会受之前对同一位置的读写操作，所以这里只是用空操作barrier()代替。barrier()的作用相当于告诉编译器这里有一个内存屏障，放弃在寄存器中的暂存值，重新从内存中读入。