原子操作的实现原理与使用-03

所谓“原子操作”就是这个操作不会被打断。Linux有2种原子操作：原子变量、原子位。

原子变量的内核操作函数

原子变量的操作函数在Linux内核文件arch\arm\include\asm\atomic.h中。

原子变量类型如下，实际上就是一个结构体(内核文件include/linux/types.h)：

原子变量的内核实现

注意：SMP就是Symmetric Multi-Processors，对称多处理器；UP即Uni-Processor，系统只有一个单核CPU。

这些函数都是在Linux内核文件arch\arm\include\asm\atomic.h中。

atomic_read，atomic_set这些操作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。

问题在于atomic_inc这类操作，要读出、修改、写回。

以atomic_inc为例，在atomic.h文件中，如下定义：

从上面的宏可以知道，一个ATOMIC_OPS定义了3个函数。比如“ATOMIC_OPS(add, +=, add)”就定义了这3个函数：

我们以ATOMIC_OP(add, +=, add)为例，看它是如何实现atomic_add函数的，对于UP系统、SMP系统，分别有不同的实现方法。

ATOMIC_OP在UP系统中的实现

对于ARMv6以下的CPU系统，不支持SMP。原子变量的操作简单粗暴：关中断，中断都关了，谁能来打断我？代码如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

ATOMIC_OP在SMP系统中的实现

对于ARMv6及以上的CPU，有一些特殊的汇编指令来实现原子操作，不再需要关中断，代码如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

在ARMv6及以上的架构中，有ldrex、strex指令，ex表示exclude，意为独占地。这2条指令要配合使用，举例如下：

① 读出：ldrex  r0, [r1]

读取r1所指内存的数据，存入r0；并且标记r1所指内存为“独占访问”。

如果有其他程序再次执行“ldrex  r0, [r1]”，一样会成功，一样会标记r1所指内存为“独占访问”。

② 修改r0的值

③ 写入：strex  r2, r0, [r1]：

如果r1的“独占访问”标记还存在，则把r0的新值写入r1所指内存，并且清除“独占访问”的标记，把r2设为0表示成功。

如果r1的“独占访问”标记不存在了，就不会更新内存，并且把r2设为1表示失败。

假设这样的抢占场景：

① 程序A在读出、修改某个变量时，被程序B抢占了；

② 程序B先完成了操作，程序B的strex操作会清除“独占访问”的标记；

③ 轮到程序A执行剩下的写入操作时，它发现独占访问”标记不存在了，于是取消写入操作。

这就避免了这样的事情发生：程序A、B同时修改这个变量，并且都自认为成功了。

举报个例子，比如atomic_dec，假设一开始变量值为1，程序A本想把值从1变为0；但是中途被程序B先把值从1变成0了；但是没关系，程序A里会再次读出新值、修改、写入，最终这个值被程序A从0改为-1。

在ARMv6及以上的架构中，原子操作不再需要关闭中断，关中断的花销太大了。并且关中断并不适合SMP多CPU系统，你关了CPU0的中断，CPU1也可能会来执行些操作啊。

在ARMv6及以上的架构中，原子操作的执行过程是可以被打断的，但是它的效果符合“原子”的定义：一个完整的“读、修改、写入”原子的，不会被别的程序打断。它的思路很简单：如果被别的程序打断了，那就重来，最后总会成功的。

原子变量使用案例

现在可以使用原子变量实现：只能有一个APP访问驱动程序。代码如下：

第5行的atomic_dec_and_test，这是一个原子操作，在ARMv6以下的CPU架构中，这个函数是在关中断的情况下执行的，它确实是“原子的”，执行过程不被打断。

但是在ARMv6及以上的CPU架构中，这个函数其实是可以被打断的，但是它实现了原子操作的效果，如下图所示：

原子位介绍

原子位的内核操作函数

能操作原子变量，再去操作其中的某一位，不是挺简单的嘛？不过不需要我们自己去实现，内核做好了。

原子位的操作函数在Linux内核文件arch\arm\include\asm\bitops.h中，下表中p是一个unsigned long指针。

原子位的内核实现

在ARMv6以下的架构里，不支持SMP系统，原子位的操作函数也是简单粗暴：关中断。以set_bit函数为例，代码在内核文件arch\arm\include\asm\bitops.h中，如下

在ARMv6及以上的架构中，不需要关中断，有ldrex、strex等指令，这些指令的作用在前面介绍过。还是以set_bit函数为例，代码如下：