一文了解原子操作

原子操作（X86架构）

楔子

首先什么是原子，意味着不可再分。相应地，反映在计算机程序里，那么就会成为一条指令，不存在中间指令，执行过程不会被打断。这样程序在执行时，就能够保证独占访问，避免其它线程访问它。接下来接口的讲解，是以C11标准有#inlcude <stdatomic>为例。

已有接口

这里的每个接口都有另一个声明explict防止隐式转换的函数。能够实现的11个操作包括取数、存数、交换、比较交换（CAS）、加法、减法、按位或、按位异或、设置标志位（用来获取一个自旋锁）、清除标志位。

atomic_store(object, desired); // 将desired这个值读取到原子object中
atomic_load(object); // 从原子object中取值，可以用来赋给一个变量
atomic_exchange(object, desired); // 将desired存到object中，并将旧值返回
atomic_compare_exchange_strong(object, expected, desired); // 如果 object 当前的值与 expected 相同，则将 desired 存储到 object 中。如果交换成功，返回 true；否则，将 object 当前的值存储到 expected 指向的内存中，并返回 false。
atomic_compare_exchange_weak(object, expected, desired)；  //  这个函数发生时，若交换失败，则可能会将object当前的值存储到expected指向的内存中。
atomic_fetch_add(object, operand); // 将object加一个operand再重新赋给object。
atomic_fetch_sub(object, operand); // 将object减小一个operand再重新赋给object。
atomic_fetch_or(object, operand); // 将object按位(bitwire)或操作一个operand再重新赋给object。
atomic_fetch_xor(); // 将object按位(bitwire)异或操作一个operand再重新赋给object。
atomic_flag_test_and_set(); // 将object指向的原子标志设位非零值，并返回标志原来的值，用来获取一个自旋锁
atomic_flag_clear(); // 将object指向的原子标志，清零

GCC嵌入式汇编

GCC嵌入式汇编格式：asm指明是汇编方式，volatile指明不要进行编译器优化，假如这段部分修改的变量值，并不在后续的程序中使用，那么编译器就会移除掉这段代码。所以我们需要使用volatile告诉编译器不要进行优化。

__asm__ __volatile__( // volatile禁止编译器优化
    指令部 
   : output operand 
   : input operand
   : clobber list
);

1. 指令部中数字前加%表示寄存器的样板操作数。@表示注释。指令中可能会出现指令前缀比如lock:这是避免多处理器同时修改内存中的数据。而且lock还能够保证在完成原子操作后，同时刷新多个处理器的缓存，保证一致性。

2. 输出部，输出约束用=开头，表示只写操作数，一般指明输出对象，接着是一个字母表示对操作类型的说明。+表示可读可写，r表示使用通用寄存器，&表示只用于输出。

3. clobber resgister，这部分主要是要告诉编译器汇编代码所做的修改。一般以"memory"结束，目的是告诉GCC编译器汇编指令改变了内存中的值，强制要求编译器在执行汇编代码前存储所有缓存的值，然后执行结束后重新加载该值。"cc"表示，condition register状态寄存器。

4. 操作类型说明

   约束	用途	范围
   a	简单寄存器	r16 to r23
   b	基指针寄存器对	y,z
   d	上寄存器	r16 to r31
   e	指针寄存器对	x, y, z
   G	浮点常量	0.0
   I	6位正整数常量	0 to 63
   J	6位负整数常量	-63 to 0
   K	整数常量	2
   L	整数常量	0
   l	低位寄存器	r0 to r15
   m	内存地址
   M	8位整数常量	0 to 255
   n	16位整数常量
   N	整数常量	-1
   O	整数常量	8, 16, 24
   P	整数常量	1
   q	堆栈指针寄存器	SPH:SPL
   r	任意寄存器	r0 to r31
   t	临时寄存器	r0
   V	32位整数常量
   W	特殊上寄存器对	r24, r26, r28, r30
   x	指针寄存器对 X	x (r27:r26)
   y	指针寄存器对 Y	y (r29:r28)
   z	指针寄存器对 Z	z (r31:r30)

实例

1. in指令从端口获取数据

   __asm__ __volatile__(
   "in %0, %1"
   :"=&r"(result) // 输出操作数
   :"I" (PORTD) // 输入操作数 I表示正整数常量
   :
   );
   

2. inc指令，执行增加add操作

   int inc(int* value, int add){
       int old;
       // volatile指示编译器不要对变量进行优化
       __asm__ volatile(
           "lock; xaddl %2, %1"
           : "=a" (old)  // 这里有两个寄存器
           : "m" (*value), "a" (add)
           : "cc", "memory"
       );
   }
   

3. cas操作

   void cas(int *ptr, int expected, int desired) {
       __asm__ volatile (
           "lock; cmpxchg %2, %0\n" // 使用LOCK前缀的cmpxchg指令
           : "+m" (*ptr), "+a" (expected) // 操作数约束
           : "r" (desired) // 操作数约束
           : "memory" // 标记内存操作
       );
   }
   

注意

1. ubuntu18.04版本内核已经没有/usr/include/asm/atomic.h这个库了，建议直接使用C语言库#Include<stdatomic>头文件调用原子操作。在较新版本的Linux内核中，<asm/atomic.h> 已经被移除或不再位于GCC默认的头文件搜索路径下。这是因为在Linux 2.6.18之后，系统不再使用 atomic.h 和 bitops.h，而是采用GCC提供的内建原子操作函数 __sync_* 来实现原子操作。其实内部还是有atomic.h这个文件，内核源码的arch目录下。

参考

1. 《奔跑吧Linux内核》--张天飞
2. 《GCC-AVR Inline Assembler Cookbook》--Harald Kipp