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原子操作保证指令以原子的方式执行#xff0c;执行过程不被打断。先看一个实例#xff0c;如下所示#xff0c;如果thread_func_a和thread_func_b同时运行#xff0c;执行完成后#xff0c;i的值是多少#xff1f;
// test.c
static int i 0;void thread…一、原子操作
原子操作保证指令以原子的方式执行执行过程不被打断。先看一个实例如下所示如果thread_func_a和thread_func_b同时运行执行完成后i的值是多少
// test.c
static int i 0;void thread_func_a()
{i;
}
void thread_func_b()
{i;
}有的读者认为是2也有的读者认为是1在给出正确的结果之前我们先看下这段代码的汇编
// aarch64-linux-gnu-gcc -S test.c
// vim test.s
.LFB0:.cfi_startprocadrp x0, iadd x0, x0, :lo12:i ldr w0, [x0] // 加载内存地址为x0寄存器的值也就是i的值到w0寄存器add w1, w0, 1 // 将w0寄存器的值与1相加结果存在w1寄存器adrp x0, iadd x0, x0, :lo12:istr w1, [x0] // 把w1寄存器的值加载到x0所在的地址nopret.cfi_endproc
...可以看到虽然在我们写的代码中i只有一条指令实际上汇编指令需要三条 加载内存地址的值 修改变量的值 将修改后的值写回原先的地址
两个cpu在执行过程中顺序是随机的结果也是随机的这里为了更直观给大商家列一下实际可能的执行顺序以及对应的结果
可能的结果i 2执行顺序如下 可能的结果i 1执行顺序如下 针对上面的问题linux提供了atomic_t类型的原子变量来解决它可以保证对一个整形数据的原子性。
在内核看来原子操作函数就像一条汇编语句保证了操作时不被打断如上述i语句就可能被打断要保证操作的原子性通常需要原子地不间断地完成读-修改-回写机制中间不能被打断。
二、原子变量
linux提供了atomic_t类型的原子变量它的实现依赖于不同的架构不同处理器的实现方式不一样。我们首先看下都有哪些原子操作可供使用然后再针对arm64的实现方式进行解读其他架构原理都类似大家自己揣摩。
2.1 原子操作函数
linux内核提供了很多操作原子变量的函数了解这些内容方便我们后续使用。我们以arm64为例进行讲解。
2.1.1 基本原子操作函数
接口
ATOMIC_INIT(i)
atomic_read(const atomic_t *v)
atomic_set(atomic_t *v, int i)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define arch_atomic_read(v) __READ_ONCE((v)-counter)
#define arch_atomic_set(v, i) __WRITE_ONCE(((v)-counter), (i))2.1.2 不带返回值的原子操作函数
接口
atomic_add(i, v)
atomic_sub(i, v)
atomic_and(i, v)
atomic_or(i, v)
atomic_xor(i, v)
atomic_andnot(i, v)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_OP(op) \
static __always_inline void arch_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \__lse_ll_sc_body(op, i, v); \
}ATOMIC_OP(atomic_andnot)
ATOMIC_OP(atomic_or)
ATOMIC_OP(atomic_xor)
ATOMIC_OP(atomic_add)
ATOMIC_OP(atomic_and)
ATOMIC_OP(atomic_sub)2.1.3 带返回值的原子操作
linux内核提供了两类带返回值的原子操作函数一类返回原子变量的新值一类返回原子变量的旧值。 然会原子变量新值的原子操作函数如下。
接口
atomic_add_return(i, v)
atomic_sub_return(i, v)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)
返回原子变量旧值的原子操作函数如下
接口
atomic_fetch_add(i, v)
atomic_fetch_sub(i, v)
atomic_fetch_and(i, v)
atomic_fetch_or(i, v)
atomic_fetch_xor(i, v)
atomic_fetch_andnot(i, v)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h
#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)3.1.4 内嵌内存屏障的原子操作函数
接口
{}_relexd // 不内嵌内存屏障原语
{}_acquire // 内置加载-获取内存屏障原语
{}_release // 内置存储-释放内存屏障原语
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}#define ATOMIC_FETCH_OPS(op) \ATOMIC_FETCH_OP(_relaxed, op) \ATOMIC_FETCH_OP(_acquire, op) \ATOMIC_FETCH_OP(_release, op) \ATOMIC_FETCH_OP( , op)ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)2.2 原子操作的实现
2.2.1 原子操作的实现
原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持在不同的处理器体系结构上原子操作会有不同的实现例如在x86体系结构下通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。目前在ARMv8体系结构下支持两种方式来实现原子操作 一种是经典的独占内存访问机制也叫做LL/SCLoad-Link/Store-Conditional早期ARM体系结构下的原子操作都是基于这种方式实现 另一种是ARMv8.1体系结构上新增的LSELarge System Extension扩展LSE提供了多种原子内存访问操作指令。
具体选择哪一种CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS决定
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/lse.h
#ifdef CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS#define __LSE_PREAMBLE .arch_extension lse\n#include linux/compiler_types.h
#include linux/export.h
#include linux/stringify.h
#include asm/alternative.h
#include asm/alternative-macros.h
#include asm/atomic_lse.h
#include asm/cpucaps.h#define __lse_ll_sc_body(op, ...) \
({ \alternative_has_cap_likely(ARM64_HAS_LSE_ATOMICS) ? \__lse_##op(__VA_ARGS__) : \__ll_sc_##op(__VA_ARGS__); \
})/* In-line patching at runtime */
#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse) \ALTERNATIVE(llsc, __LSE_PREAMBLE lse, ARM64_HAS_LSE_ATOMICS)#else /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */#define __lse_ll_sc_body(op, ...) __ll_sc_##op(__VA_ARGS__)#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse) llsc#endif /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */
#endif /* __ASM_LSE_H */2.2.2 ll/sc方式
LL/SC机制使用多个指令并且每个处理器都需要实现一个专有监视器LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。首先看下ARMv8体系结构提供的独占内存访问指令。
独占内存访问指令
ARMv8体系结构实现的独占内存访问指令为LDXR/STXR LDXR内存独占加载指令它从内存中以独占方式加载内存地址的值到寄存器中 STXR内存独占存储指令它以独占的方式把数据存储到内存中。 LDXR/STXR的指令格式如下
ldxr xt, [xn | sp]
stxr ws, xt, [xn | sp]多字节独占内存访问指令
LDXP和STXP指令是多字节独占内存访问指令一条指令可以独占地加载和存储16字节。
ldxp xt1, xt2, [xn | sp]
stxp ws, xt1, xt2, [xn | sp]独占监视器
独占监视器是一个硬件状态机用于跟踪读-修改-写序列并支持Load和Store操作。当CPU执行LDXR指令时独占监视器会把对应内存地址标记为独占访问模式保证以独占的方式来访问这个内存地址而STXR是有条件的存储指令当CPU执行STRX指令将新数据写入到LDXR指令标记的独占访问内存地址时会根据独占监视器的状态来进行处理 若独占监视器为独占访问状态那么STRX指令执行成功并且独占监视器会切换状态到开放访问状态 若独占监视器为开放访问状态则STRX指令执行失败数据无法存储。
ARMv8体系提供了三类独占监视器 本地独占监视器 内部缓存一致性全局独占监视器 外部全局独占监视器
这些独占监视器分别位于系统存储结构的不同层次如下 atomic_op实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h
#define ATOMIC_OP(op, asm_op, constraint) \
static __always_inline void \
__ll_sc_atomic_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \unsigned long tmp; \int result; \\asm volatile(// atomic_ #op \n \ prfm pstl1strm, %2\n \1: ldxr %w0, %2\n \ #asm_op %w0, %w0, %w3\n \ stxr %w1, %w0, %2\n \ cbnz %w1, 1b\n \: r (result), r (tmp), Q (v-counter) \: __stringify(constraint) r (i)); \
}第11行将v-counter的值以内存独占加载的方式存储到w0寄存器即result v-counter
第12行将w0的值和i的值操作add/sub等结果保存在w0即result result i
第13行将w0的值写回v-counter成功的为给w1赋0否则等于1
第14行判断temp的值为0代表成功为1代表失败跳转到ldxr。
说白了这里也是一个自旋 2.2.3 lse方式
在ARMV8.1指令集中增加了一些新的原子操作指令可以一个指令实现整形运算。
新增的整形原子指令
接口
stclr
stset
steor
stadd实现
#define ATOMIC_OP(op, asm_op) \
static __always_inline void \
__lse_atomic_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \asm volatile( \__LSE_PREAMBLE \ #asm_op %w[i], %[v]\n \: [v] Q (v-counter) \: [i] r (i)); \
}ATOMIC_OP(andnot, stclr)
ATOMIC_OP(or, stset)
ATOMIC_OP(xor, steor)
ATOMIC_OP(add, stadd)三、总结
本篇文章首先根据一个真实的事例引出原子操作要解决的问题然后对linux提供的原子操作的众多接口进行了解释说明最后对arm架构上的两种原子操作的实现方式原理LL/SC、LSE进行了剖析。经过上面的学习大家应该已经了解原子变量的使用场景以及内部的实现机理。
参考 https://jishuzhan.net/article/1763876122459639809
《奔跑吧linux内核-卷一基础架构》
《奔跑吧linux内核-卷二调试与案例分析》
下篇文章将经典自旋锁进行解读敬请期待 。
一个专注于“嵌入式知识分享”、“DIY嵌入式产品”的技术开发人员关注我一起共创嵌入式联盟。
