Linux内核部件分析

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。

本节的atomic_t类型操作是最基础的，为了介绍下面的内容，必须先介绍它。如果可以使用atomic_t类型代替临界区操作，也可以加快不少速度。