原子性操作原理分析

1. 概念

原子操作是指不被打断的操作，即它是最小的执行单位。最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)。在 linux 中原子操作对应的数据结构为 atomic_t，定义如下：

typedef struct {
	int counter;
} atomic_t;

本质上就是一个整型变量，之所以定义这么一个数据类型，是为了让原子操作函数只接受 atomic_t 类型的操作数，如果传入的不是 atomic_t 类型数据，在程序编译阶段就不会通过；另一个原因就是确保编译器不会对相应的值进行访问优化，确保对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

2. 赋值操作

ARM 处理器有直接对内存地址进行赋值的指令(STR)。

#define atomic_set(v,i)	(((v)->counter) = (i))

3. 读操作

用 volatile 来防止编译器对变量访问的优化，确保是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

#define atomic_read(v)	(*(volatile int *)&(v)->counter)

4. 加操作

使用独占指令完成累加操作。

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
	unsigned long tmp;
	int result;
	// 使用独占指令读取，然后执行加操作，独占写失败时就重新执行
	__asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"
"1:	ldrex	%0, [%3]\n"
"	add	%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");
}

5. 减操作

对比加操作和减操作的代码可以看出，它们非常的相似，其实不同的地方就一句，所以现在最新的内核源码中已经使用宏定义 ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) 来重写了这部分代码。

static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
	unsigned long tmp;
	int result;
	// 使用独占指令读取，然后执行减操作，独占写失败时就重新执行
	__asm__ __volatile__("@ atomic_sub\n"
"1:	ldrex	%0, [%3]\n"
"	sub	%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");
}

6. 其他操作

类似的原子操作函数还有一些，比如 atomic_XXX_return、atomic_cmpxchg、atomic_clear_mask，以及在此基础上实现的 atomic_inc、atomic_dec、atomic_XXX_and_test、atomic_XXX_return等。以上代码都是针对 SMP 处理器的实现方式，针对非 SMP 处理器，由于不存在其他核心的抢占，所以只需要防止其他进程抢占即可实现原子操作，例如加操作：

static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
	unsigned long flags;
	int val;
	// 通过关闭中断防止其他进程打断代码的执行
	raw_local_irq_save(flags);
	val = v->counter;
	v->counter = val -= i;
	// 恢复中断原始的状态
	raw_local_irq_restore(flags);

	return val;
}

7. 总结

原子性操作的实现需要具体体系结构相关的指令集的支持。