Linux内核原子操作 原理

摘自：http://ilinuxkernel.com/?p=1158

本文基linux内核版本 2.6.32-131.17.1.el6.i686源码。

1、原子读、赋值

00016: /**

00017:  *atomic_read-readatomicvariable

00018:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00019:  *

00020:  *Atomicallyreadsthevalueof @v.

00021:  */

00022: staticinlineint atomic_read(constatomic_t*v)

00023: {

00024:       returnv->counter;

00025: }

00026:

 

 

00027: /**

00028:  *atomic_set-setatomicvariable

00029:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00030:  * @i:requiredvalue

00031:  *

00032:  *Atomicallysetsthevalueof @vto @i.

00033:  */

00034: staticinlinevoid atomic_set(atomic_t*v,inti)

00035: {

00036:       v->counter= i;

00037: }

00038:

 

 

2、原子加减

 

00039: /**

00040:  *atomic_add-addintegertoatomicvariable

00041:  * @i:integervaluetoadd

00042:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00043:  *

00044:  *Atomicallyadds @ito @v.

00045:  */

00046: staticinlinevoid atomic_add(inti,atomic_t*v)

00047: {

00048:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“addl%1,%0″

00049:                   :“+m” (v->counter)

00050:                   :“ir”(i));

00051: }

00052:

 

00053: /**

00054:  *atomic_sub-subtractintegerfromatomicvariable

00055:  * @i:integervaluetosubtract

00056:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00057:  *

00058:  *Atomicallysubtracts @ifrom @v.

00059:  */

00060: staticinlinevoid atomic_sub(inti,atomic_t*v)

00061: {

00062:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“subl%1,%0″

00063:                   :“+m” (v->counter)

00064:                   :“ir”(i));

00065: }

00066:

 

 

3、原子加减1

00085:

00086: /**

00087:  *atomic_inc-incrementatomicvariable

00088:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00089:  *

00090:  *Atomicallyincrements @vby1.

00091:  */

00092: staticinlinevoid atomic_inc(atomic_t*v)

00093: {

00094:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“incl%0″

00095:                   :“+m” (v->counter));

00096: }

00097:

00098: /**

00099:  *atomic_dec-decrementatomicvariable

00100:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00101:  *

00102:  *Atomicallydecrements @vby1.

00103:  */

00104: staticinlinevoid atomic_dec(atomic_t*v)

00105: {

00106:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“decl%0″

00107:                   :“+m” (v->counter));

00108: }

00109:

 

 

5、LOCK_PREFIX理解

  在原子加减操作中，我们可以发现实现都基于关键指令LOCK_PREFIX。该宏定义在文件arch/x86/include/asm/alternative.h中。

00030: #ifdefCONFIG_SMP

00031: #defineLOCK_PREFIX\

00032:               “.section.smp_locks,\”a\”\n”\

00033:               _ASM_ALIGN“\n”                \

00034:               _ASM_PTR “661f\n”/*address*/       \

00035:               “.previous\n”                \

00036:               “661:\n\tlock;”

00037:

00038: #else/*!CONFIG_SMP*/

00039: #defineLOCK_PREFIX“”

00040: #endif

 

   也就是LOCK_PREFIX只有在SMP系统中才有效。在单CPU（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”，因为中断只发生在指令边缘。但在多处理器结构中（Symmetric Multi-Processor）就不同了，由于系统中有多个处理器独立运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。在X86平台生，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀“LOCK”，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

    LOCK_PREFIX宏扩展开后，就是在语句前加上lock前缀。

atomic_add():

/root/rpmbuild/BUILD/kernel-2.6.32-131.17.1.el6/linux-2.6.32-131.17.1.el6.i686/arch/x86/include/asm/atomic_32.h:48

 *

 * Atomically adds @i to @v.

 */

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)

{

        asm volatile(LOCK_PREFIX “addl %1,%0″

c041c21b:       8b 44 24 20             mov    0×20(%esp),%eax

c041c21f:       f0 01 05 1c 8f af c0    lock add %eax,0xc0af8f1c

atomic_add_return():

/root/rpmbuild/BUILD/kernel-2.6.32-131.17.1.el6/linux-2.6.32-131.17.1.el6.i686/arch/x86/include/asm/atomic_32.h:182

        if (unlikely(boot_cpu_data.x86 <= 3))

                goto no_xadd;

#endif

        /* Modern 486+ processor */

        __i = i;

        asm volatile(LOCK_PREFIX “xaddl %0, %1″

c041c226:       bf 01 00 00 00          mov    $0×1,%edi

c041c22b:       f0 0f c1 3d 18 8f af    lock xadd %edi,0xc0af8f18

c041c232:       c0

 

6、其他原子操作

减操作后判断是否为0：atomic_sub_and_test()。

 

00067: /**

00068:  *atomic_sub_and_test-subtractvaluefromvariableandtestresult

00069:  * @i:integervaluetosubtract

00070:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00071:  *

00072:  *Atomicallysubtracts @ifrom @vandreturns

00073:  *trueiftheresultiszero,orfalseforall

00074:  *othercases.

00075:  */

00076: staticinlineint atomic_sub_and_test(inti,atomic_t*v)

00077: {

00078:       unsignedchar c;

00079:

00080:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“subl%2,%0;sete%1″

00081:                   :“+m” (v->counter),“=qm”(c)

00082:                   :“ir”(i):“memory”);

00083:       returnc;

00084: }

 

递减后判断是否为0：atomic_dec_and_test()。

 

00110: /**

00111:  *atomic_dec_and_test-decrementandtest

00113:  *

00114:  *Atomicallydecrements @vby1and

00115:  *returnstrueiftheresultis0,orfalseforallother

00116:  *cases.

00117:  */

00118: staticinlineint atomic_dec_and_test(atomic_t*v)

00119: {

00120:       unsignedchar c;

00121:

00122:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“decl%0;sete%1″

00123:                   :“+m” (v->counter),“=qm”(c)

00124:                   :: “memory”);

00125:       returnc !=0;

00126: }

00127:

 

  自增后判断是否为0：atomic_inc_and_test()。

 

00128: /**

00129:  *atomic_inc_and_test-incrementandtest

00130:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00131:  *

00132:  *Atomicallyincrements @vby1

00133:  *andreturnstrueiftheresultiszero,orfalseforall

00134:  *othercases.

00135:  */

00136: staticinlineint atomic_inc_and_test(atomic_t*v)

00137: {

00138:       unsignedchar c;

00139:

00140:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“incl%0;sete%1″

00141:                   :“+m” (v->counter),“=qm”(c)

00142:                   :: “memory”);

00143:       returnc !=0;

00144: }

00145:

 

 

   相加后是否为负值 ：atomic_add_negative()。

 

00146: /**

00147:  *atomic_add_negative-addandtestifnegative

00148:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00149:  * @i:integervaluetoadd

00150:  *

00151:  *Atomicallyadds @ito @vandreturnstrue

00152:  *iftheresultisnegative,orfalsewhen

00153:  *resultisgreaterthanorequaltozero.

00154:  */

00155: staticinlineint atomic_add_negative(inti,atomic_t*v)

00156: {

00157:       unsignedchar c;

00158:

00159:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“addl%2,%0;sets%1″

00160:                   :“+m” (v->counter),“=qm”(c)

00161:                   :“ir”(i):“memory”);

00162:       returnc;

00163: }

00164:

 

    相加后返回： atomic_add_return()。

 

00165: /**

00166:  *atomic_add_return-addintegerandreturn

00168:  * @i:integervaluetoadd

00169:  *

00170:  *Atomicallyadds @ito @vandreturns @i+ @v

00171:  */

00172: staticinlineint atomic_add_return(inti,atomic_t*v)

00173: {

00174:       int__i;

00175: #ifdefCONFIG_M386

00176:       unsignedlongflags;

00177:       if(unlikely(boot_cpu_data .x86<= 3))

00178:               goto¯no_xadd;

00179: #endif

00180:       /*Modern486+processor*/

00181:       __i =i;

00182:       asmvolatile(LOCK_PREFIX“xaddl%0,%1″

00183:                   :“+r”(i),“+m” (v->counter)

00184:                   :: “memory”);

00185:       returni+__i;

00186:

00187: #ifdefCONFIG_M386

00188: no_xadd:/*Legacy386processor*/

00189:       local_irq_save(flags);

00190:       __i =atomic_read(v);

00191:       atomic_set(v,i+__i);

00192:       local_irq_restore(flags);

00193:       returni+__i;

00194: #endif

00195: }?   endatomic_add_return?

00196:

  相减后返回：atomic_sub_return()。

00197: /**

00198:  *atomic_sub_return-subtractintegerandreturn

00199:  * @v:pointeroftypeatomic_t

00200:  * @i:integervaluetosubtract

00201:  *

00202:  *Atomicallysubtracts @ifrom @vandreturns @v- @i

00203:  */

00204: staticinlineint atomic_sub_return(inti,atomic_t*v)

00205: {

00206:       returnatomic_add_return(-i,v);

00207: }

摘自：http://www.360doc.com/content/11/1014/00/1317564_156005675.shtml

所谓原子操作，就是“不可中断的一个或一系列操作”。

硬件级的原子操作：在单处理器系统（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”，因为中断只发生在指令边缘。在多处理器结构中（Symmetric Multi-Processor）就不同了，由于系统中有多个处理器独立运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。在X86平台生，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。对于其他平台的CPU，实现各不相同，有的是通过关中断来实现原子操作（sparc），有的通过CMPXCHG系列的指令来实现原子操作（IA64）。本文主要探讨X86平台下原子操作的实现。

软件级别的原子操作：软件级别的原子操作实现依赖于硬件原子操作的支持。

Linux内核提供了两组原子操作接口：一组是针对整数进行操作；另一组是针对单独的位进行操作。

1、原子整数操作

原子操作通常针对int或bit类型的数据，但是Linux并不能直接对int进行原子操作，而只能通过atomic_t的数据结构来进行。目前了解到的原因有两个。

一是在老的Linux版本，atomic_t实际只有24位长，低8位用来做锁。这是由于Linux是一个跨平台的实现，可以运行在多种 CPU上，有些 类型的CPU比如SPARC并没有原生的atomic指令支持，所以只能在32位int使用8位来做同步锁，避免多个线程同时访问。(最新版SPARC实现已经突破此限制)。 原子整数操作最常见的用途就是实现计数器。常见的用法是：

atomic_t use_cnt;

atomic_set(&use_cnt, 2);

atomic_add(4, &use_cnt);

atomic_inc(use_cnt);

在X86平台上，atomic_t定义如下：

 typedef struct {
     int counter;
 } atomic_t;

下面选取atomic_add来进行分析：

 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
 {
     asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
              : "+m" (v->counter)
              : "ir" (i));
 }

可以看到，atomic_add使用了gcc提供的内嵌汇编来实现，是用一个addl指令来实现增加操作。重点看一下LOCK_PREFIX宏，它就是上文提到的锁总线操作，也就是它保证了操作的原子性。LOCK_PREFIX定义如下：

 #define LOCK_PREFIX \
                 ".section .smp_locks,\"a\"\n"   \
                 "  .align 4\n"                  \
                 "  .long 661f\n" /* address */  \
                 ".previous\n"                   \
                 "661:\n\tlock; "

展开后变成：

 .section .smp_locks,"a"
   .align 4
   .long 661f
 .previous
 661:
         lock;

逐条解释如下：
.section .smp_locks,"a"
下面的代码生成到 .smp_locks 段里，属性为"a", allocatable
  .align 4
四字节对齐
  .long 661f
生成一个整数，值为下面的 661 标号的实际地址，f 表示向前引用，如果 661 标号出现
在前面，要写 661b。
.previous
代码生成恢复到原来的段，也就是 .text
661:
数字标号是局部标号，5.3 Symbol Names
        lock;
开始生成指令，lock 前缀
这段代码汇编后，在 .text 段生成一条 lock 指令前缀 0xf0，在 .smp_locks 段生成四个字节的 lock 前缀的地址，链接的时候，所有的.smp_locks 段合并起来，形成一个所有 lock 指令地址的数组，这样统计 .smp_locks 段就能知道代码里有多少个加锁的指令被生成，猜测是为了调试目的。

搜索了一下，找到了相关引用处，当一个内核模块被加载时，会调用module_finalize函数：

 int module_finalize(const Elf_Ehdr *hdr,
             const Elf_Shdr *sechdrs,
             struct module *me)
 {
     const Elf_Shdr *s, *text = NULL, *alt = NULL, *locks = NULL,
         *para = NULL;
     char *secstrings = (void *)hdr + sechdrs[hdr->e_shstrndx].sh_offset;

     for (s = sechdrs; s < sechdrs + hdr->e_shnum; s++) {
         if (!strcmp(".text", secstrings + s->sh_name))
             text = s;
         if (!strcmp(".altinstructions", secstrings + s->sh_name))
             alt = s;
         if (!strcmp(".smp_locks", secstrings + s->sh_name))
             locks= s;
         if (!strcmp(".parainstructions", secstrings + s->sh_name))
             para = s;
     }

     if (alt) {
         /* patch .altinstructions */
         void *aseg = (void *)alt->sh_addr;
         apply_alternatives(aseg, aseg + alt->sh_size);
     }
     if (locks && text) {
         void *lseg = (void *)locks->sh_addr;
         void *tseg = (void *)text->sh_addr;
         alternatives_smp_module_add(me, me->name,
                         lseg, lseg + locks->sh_size,
                         tseg, tseg + text->sh_size);
     }

     if (para) {
         void *pseg = (void *)para->sh_addr;
         apply_paravirt(pseg, pseg + para->sh_size);
     }

     return module_bug_finalize(hdr, sechdrs, me);
 }

上面的代码说，如果模块有 .text 和 .smp_locks 段，就调这个来处理，做什么呢？

 void alternatives_smp_module_add(struct module *mod, char *name,
                  void *locks, void *locks_end,
                  void *text,  void *text_end)
 {
     struct smp_alt_module *smp;

     if (noreplace_smp)
         return;

     if (smp_alt_once) {
         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_UP))
             alternatives_smp_unlock(locks, locks_end,
                         text, text_end);
         return;
     }

     ........//省略无关代码
 }

上面的代码说，如果是单处理器(UP)，就调这个：

 static void alternatives_smp_unlock(u8 **start, u8 **end, u8 *text, u8 *text_end)
 {
     u8 **ptr;
     char insn[1];

     if (noreplace_smp)
         return;

     add_nops(insn, 1);
     for (ptr = start; ptr < end; ptr++) {
         if (*ptr < text)
             continue;
         if (*ptr > text_end)
             continue;
         text_poke(*ptr, insn, 1);
     };
 }

看到这里就能明白，这是内核配置了 smp，但是实际运行到单处理器上时，通过运行期间打补丁，根据 .smp_locks 里的记录，把 lock 指令前缀替换成 nop 以消除指令加锁的开销，这个优化真是极致了……，可能考虑很多用户直接使用的是配置支持 SMP 编译好的内核而特地对 x86/x64 做的这个优化。

2、原子位操作的实现

编写代码时，以如下的方式进行操作

unsigned long word = 0;

set_bit(0, &word); /*第0位被设置*/

set_bit(1, &word); /*第1位被设置*/

clear_bit(1, &word); /*第1位被清空*/

change_bit(0, &word); /*翻转第0位*/

为什么关注原子操作？
1）在确认一个操作是原子的情况下，多线程环境里面，我们可以避免仅仅为保护这个操作在外围加上性能开销昂贵的锁。
2）借助于原子操作，我们可以实现互斥锁。
3）借助于互斥锁，我们可以把一些列操作变为原子操作。

我们重点关注一下以下两个函数的实现：

 /**
  * clear_bit - Clears a bit in memory
  * @nr: Bit to clear
  * @addr: Address to start counting from
  *
  * clear_bit() is atomic and may not be reordered.  However, it does
  * not contain a memory barrier, so if it is used for locking purposes,
  * you should call smp_mb__before_clear_bit() and/or smp_mb__after_clear_bit()
  * in order to ensure changes are visible on other processors.
  */
 static inline void clear_bit(int nr, volatile void *addr)
 {
     asm volatile(LOCK_PREFIX "btr %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr));
 }

 /*
  * clear_bit_unlock - Clears a bit in memory
  * @nr: Bit to clear
  * @addr: Address to start counting from
  *
  * clear_bit() is atomic and implies release semantics before the memory
  * operation. It can be used for an unlock.
  */
 static inline void clear_bit_unlock(unsigned nr, volatile void *addr)
 {
     barrier();
     clear_bit(nr, addr);
 }

第一个clear_bit函数比较好理解，和上面atomic系列的函数实现类似。但是注意到clear_bit_unlock函数中多了一个barrier函数，这是什么操作呢？
这就是有名的“内存屏障“或”内存栅栏“操作，先来补充一下这方面的知识。

可以看一下barrier的定义：

 #define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

解释一下：__volatitle__是防止编译器移动该指令的位置或者把它优化掉。"memory"，是提示编译器该指令对内存修改，防止使用某个寄存器中已经load 的内存的值。lock 前缀是让cpu 的执行下一行指令之前，保证以前的指令都被正确执行。

事实上，不止barrier，还有一个mb系列的函数也起着内存屏障的功能：

 #include
 "void rmb(void);"
 "void wmb(void);"
 "void mb(void);"

这些函数在已编译的指令流中插入硬件内存屏障，具体的插入方法是平台相关的。rmb（读内存屏障）保证了屏障之前的读操作一定会在后来的读操作执行之前完成。wmb保证写操作不会乱序，mb 指令保证了两者都不会。这些函数都是 barrier 函数的超集。解释一下：编译器或现在的处理器常会自作聪明地对指令序列进行一些处理，比如数据缓存，读写指令乱序执行等等。如果优化对象是普通内存，那么一般会提升性能而且不会产生逻辑错误。但如果对I/O 操作进行类似优化很可能造成致命错误。所以要使用内存屏障，以强制该语句前后的指令以正确的次序完成。

其实在指令序列中放一个wmb 的效果是使得指令执行到该处时，把所有缓存的数据写到该写的地方，同时使得wmb 前面的写指令一定会在wmb后面 的写指令之前执行。

回到上面的函数，当clear_bit函数不用于实现锁的目的时，不用给它加上内存屏障（我的理解：不管是不是读到最新的数据，这一位就是要清零，不管加不加内存屏障，结果都是一样的）；而当用于实现锁的目的时，必须使用clear_bit_unlock函数，其实现中使用了内存屏障，以此来确保此处的修改能在其他CPU上看到（我的理解：加锁操作就是为了在多个CPU间进行同步的目的，所以要避免寄存器优化，其他CPU每次都读内存这样才能看到最新的变化，这块不是太明白）。这种操作也叫做serialization，即在执行这条指令前,CPU必须要完成前面所有对memory的访问指令(read and write)，这样是为了避免编译器进行某些优化。

同样使用serialization操作的还有test_and_set_bit函数：

 /**
  * test_and_set_bit - Set a bit and return its old value
  * @nr: Bit to set
  * @addr: Address to count from
  *
  * This operation is atomic and cannot be reordered.
  * It also implies a memory barrier.
  */
 static inline int test_and_set_bit(int nr, volatile void *addr)
 {
     int oldbit;

     asm volatile(LOCK_PREFIX "bts %2,%1\n\t"
              "sbb %0,%0" : "=r" (oldbit), ADDR : "Ir" (nr) : "memory");

     return oldbit;
 }

解释一下：
1）memory 强制gcc 编译器假设RAM 所有内存单元均被汇编指令修改，这样cpu 中的registers 和cache 中已缓存的内存单元中的数据将作废。cpu 将不得不在需要的时候重新读取内存中的数据。这就阻止了cpu 又将registers，cache 中的数据用于去优化指令，而避免去访问内存。

2）sbb  $0,0(%%esp)表示将数值0 减到esp 寄存器中，而该寄存器指向栈顶的内存单元。减去一个0，esp 寄存器的数值依然不变。即这是一条无用的汇编指令。在此利用这条无价值的汇编指令来配合lock 指令，在__asm__,__volatile__,memory 的作用下，用作cpu 的内存屏障。

这种写法和前面的clear_bit_unlock中先写一个barrier函数，再写一个正常内嵌汇编函数的功能是一样的。

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