v34.04 鸿蒙内核源码分析(原子操作篇) | 是谁在为原子操作保驾护航 | 百篇博客分析OpenHarmony源码
子曰：“吾未见好德如好色者也。” 《论语》：子罕篇
百篇博客系列篇.本篇为:
v34.xx 鸿蒙内核源码分析(原子操作篇) | 谁在为原子操作保驾护航
基础工具相关篇为:
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本篇说清楚原子操作
读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)系列篇.
基本概念
在支持多任务的操作系统中，修改一块内存区域的数据需要“读取-修改-写入”三个步骤。然而同一内存区域的数据可能同时被多个任务访问，如果在修改数据的过程中被其他任务打断，就会造成该操作的执行结果无法预知。
使用开关中断的方法固然可以保证多任务执行结果符合预期，但这种方法显然会影响系统性能。
ARMv6架构引入了LDREX和STREX指令，以支持对共享存储器更缜密的非阻塞同步。由此实现的原子操作能确保对同一数据的“读取-修改-写入”操作在它的执行期间不会被打断，即操作的原子性。
有多个任务对同一个内存数据进行加减或交换操作时，使用原子操作保证结果的可预知性。
看过鸿蒙内核源码分析(总目录)自旋锁篇的应该对LDREX和STREX指令不陌生的，自旋锁的本质就是对某个变量的原子操作，而且一定要通过汇编代码实现，也就是说LDREX和STREX指令保证了原子操作的底层实现.
回顾下自旋锁申请和释放锁的汇编代码.
ArchSpinLock 申请锁代码
FUNCTION(ArchSpinLock) @死守，非要拿到锁
mov r1， #1 @r1=1
1: @循环的作用，因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了
ldrex r2， [r0] @r0 = &lock->rawLock， 即 r2 = lock->rawLock
cmp r2， #0 @r2和0比较
wfene @不相等时，说明资源被占用，CPU核进入睡眠状态
strexeq r2， r1， [r0]@此时CPU被重新唤醒，尝试令lock->rawLock=1，成功写入则r2=0
cmpeq r2， #0 @再来比较r2是否等于0，如果相等则获取到了锁
bne 1b @如果不相等，继续进入循环
dmb @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
bx lr @此时是一定拿到锁了，跳回调用ArchSpinLock函数
ArchSpinUnlock 释放锁代码
FUNCTION(ArchSpinUnlock) @释放锁
mov r1， #0 @r1=0
dmb @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
str r1， [r0] @令lock->rawLock = 0
dsb @数据同步隔离
sev @给各CPU广播事件，唤醒沉睡的CPU们
bx lr @跳回调用ArchSpinLock函数
运作机制
鸿蒙通过对ARMv6架构中的LDREX和STREX进行封装，向用户提供了一套原子操作接口。
-
LDREX Rx， [Ry]
读取内存中的值，并标记对该段内存为独占访问：- 读取寄存器Ry指向的4字节内存数据，保存到Rx寄存器中。
- 对Ry指向的内存区域添加独占访问标记。
-
STREX Rf， Rx， [Ry]
检查内存是否有独占访问标记，如果有则更新内存值并清空标记，否则不更新内存：- 有独占访问标记
- 将寄存器Rx中的值更新到寄存器Ry指向的内存。
- 标志寄存器Rf置为0。
- 没有独占访问标记
- 不更新内存。
- 标志寄存器Rf置为1。
- 有独占访问标记
-
判断标志寄存器
标志寄存器为0时，退出循环，原子操作结束。
标志寄存器为1时，继续循环，重新进行原子操作。
功能列表
原子数据包含两种类型Atomic（有符号32位数）与 Atomic64（有符号64位数）。原子操作模块为用户提供下面几种功能，接口详细信息可以查看源码。
此处讲述 LOS_AtomicAdd ， LOS_AtomicSub，LOS_AtomicRead，LOS_AtomicSet
理解了函数的汇编代码是理解的原子操作的关键.
LOS_AtomicAdd
//对内存数据做加法
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicAdd(Atomic *v， INT32 addVal)
{
INT32 val;
UINT32 status;
do {
__asm__ __volatile__("ldrex %1， [%2]\n"
"add %1， %1， %3\n"
"strex %0， %1， [%2]"
: "=&r"(status)， "=&r"(val)
: "r"(v)， "r"(addVal)
: "cc");
} while (__builtin_expect(status != 0， 0));
return val;
}
这是一段C语言内嵌汇编，逐一解读
-
- 先将
statusvalvaddVal的值交由通用寄存器(R0~R3)接管.
- 先将
-
- %2代表了入参v，[%2]代表的是参数v指向地址的值，也就是 *v ，函数要独占的就是它
-
- %0 ~ %3 对应
statusvalvaddVal
- %0 ~ %3 对应
-
- ldrex %1， [%2] 表示 val = *v ;
-
- add %1， %1， %3 表示 val = val + addVal;
-
- strex %0， %1， [%2] 表示 *v = val;
-
- status 表示是否更新成功，成功了置0，不成功则为 1
-
-
__builtin_expect是结束循环的判断语句，将最有可能执行的分支告诉编译器。
这个指令的写法为：__builtin_expect(EXP， N)。意思是：EXP==N 的概率很大。
综合理解__builtin_expect(status != 0， 0)
说的是status = 0 的可能性很大，不成功就会重新来一遍，直到strex更新成(status == 0)为止.
-
-
- "=&r"(val) 被修饰的操作符作为输出，即将寄存器的值回给val，val为函数的返回值
-
- "cc"向编译器声明以上信息.
LOS_AtomicSub
//对内存数据做减法
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicSub(Atomic *v， INT32 subVal)
{
INT32 val;
UINT32 status;
do {
__asm__ __volatile__("ldrex %1， [%2]\n"
"sub %1， %1， %3\n"
"strex %0， %1， [%2]"
: "=&r"(status)， "=&r"(val)
: "r"(v)， "r"(subVal)
: "cc");
} while (__builtin_expect(status != 0， 0));
return val;
}
解读
- 同
LOS_AtomicAdd解读
volatile
这里要重点说下volatile，volatile 提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都要直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。
//读取内存数据
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicRead(const Atomic *v)
{
return *(volatile INT32 *)v;
}
//写入内存数据
STATIC INLINE VOID LOS_AtomicSet(Atomic *v， INT32 setVal)
{
*(volatile INT32 *)v = setVal;
}
编程实例
调用原子操作相关接口，观察结果：
1.创建两个任务
- 任务一用LOS_AtomicAdd对全局变量加100次。
- 任务二用LOS_AtomicSub对全局变量减100次。
2.子任务结束后在主任务中打印全局变量的值。
#include "los_hwi.h"
#include "los_atomic.h"
#include "los_task.h"
UINT32 g_testTaskId01;
UINT32 g_testTaskId02;
Atomic g_sum;
Atomic g_count;
UINT32 Example_Atomic01(VOID)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 100; ++i) {
LOS_AtomicAdd(&g_sum，1);
}
LOS_AtomicAdd(&g_count，1);
return LOS_OK;
}
UINT32 Example_Atomic02(VOID)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 100; ++i) {
LOS_AtomicSub(&g_sum，1);
}
LOS_AtomicAdd(&g_count，1);
return LOS_OK;
}
UINT32 Example_TaskEntry(VOID)
{
TSK_INIT_PARAM_S stTask1={0};
stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic01;
stTask1.pcName = "TestAtomicTsk1";
stTask1.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
stTask1.usTaskPrio = 4;
stTask1.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;
TSK_INIT_PARAM_S stTask2={0};
stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic02;
stTask2.pcName = "TestAtomicTsk2";
stTask2.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
stTask2.usTaskPrio = 4;
stTask2.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;
LOS_TaskLock();
LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01， &stTask1);
LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02， &stTask2);
LOS_TaskUnlock();
while(LOS_AtomicRead(&g_count) != 2);
dprintf("g_sum = %d\n"， g_sum);
return LOS_OK;
}
结果验证
g_sum = 0
百篇博客分析.深挖内核地基
- 给鸿蒙内核源码加注释过程中，整理出以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。 😛
- 与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。
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