Android 原子操作函數介紹

原子操作函數介紹
什麼是原子操作？所謂原子操作，就是該操作絕不會在執行完畢前被任何其他任務或事件打斷，也就說，原子操作是最小的執行單位。
上面這句話放到代碼中是什麼意思？請看一個例子：
[-->例子]
static int g_flag = 0; //全局變量g_flag
static Mutex  lock  ;//全局的锁
//線程1執行thread1。
void thread1()
{
   //g_flag遞減,每次操作前锁住。
   lock.lock();
   g_flag--;
   lock.unlock();
}
//線程2中執行thread2函數。
void thread2()
{
   lock.lock();
   g_flag++; //線程2對g_flag進行遞增操作，每次操作前要取得锁。
   lock.unlock();
}
为什麼需要Mutex來幫忙呢？因为g_flags++或g_flags--操作都不是原子操作。從匯編指令的角度看，C/C++中的一條語句對應了數條匯編指令。以g_flags++操作为例， 它生成的匯編指令可能就是以下三條：
 從內存中取數據到寄存器。
 對寄存器中的數據進行遞增操作，結果還在寄存器中。
 寄存器的結果寫回內存。
這三條匯編指令，如果按正常的順序連續執行是沒有問題的，但在多線程時就不能保證了。例如，線程1在執行第一條指令後，線程2由於調度的原因，搶在線程1之前連續執行完了三條指令。這样，線程1繼續執行指令時，它所使用的值就不是線程2更新後的值，而是之前的舊值。再對這個值進行操作便沒有意義了。
在一般情況下，處理這種問題可以使用Mutex來加锁保護，但Mutex的使用方法比它所要保護的內容還要复雜，例如，锁的使用將導致從用戶態轉入內核態，有較大的浪費。那麼，有沒有簡便些的辦法讓這些加、減等操作不被中斷呢？
答案是肯定的，但這需要CPU的支持。在X86平台上，一個遞增操作可以用下面的內嵌匯編語句來實現：
#define LOCK "lock;"
INT32 InterlockedIncrement(INT32* lpAddend)
{
  /*
   這是我們在Linux平台上實現Windows API時使用的方法。
   其中在SMP系統上，LOCK定義成"lock;"表示锁總線，這样同一時刻就只能有一個CPU訪問總線了。
   非SMP系統，LOCK定義成空。由於InterlockedIncrement要返回遞增前的舊值，所以我們
   使用了xaddl指令，它先交換源和目的的操作數，再進行遞增操作。
*/
INT32 i = 1;
__asm__ __volatile__(
LOCK "xaddl %0, %1"
:"+r" (i), "+m" (*lpAddend)
: : "memory");
return *lpAddend;

}

Android的院子操作函数

Android提供了相關的原子操作函數。這裏有必要介紹一下各個函數的作用。
[-->Atomic.h]，注意該文件位於system/core/include/cutils目錄中。
//原子賦值操作，結果是*addr=value。
void android_atomic_write (int32_t value, volatile int32_t* addr);
//下面所有函數的返回值都是操作前的舊值。
//原子加1和原子減1。
int32_t android_atomic_inc (volatile int32_t* addr);
int32_t android_atomic_dec (volatile int32_t* addr);
//原子加法操作，value为被加數。
int32_t android_atomic_add (int32_t value, volatile int32_t* addr);
//原子“與”和“或”操作。
int32_t android_atomic_and (int32_t value, volatile int32_t* addr);
int32_t android_atomic_or (int32_t value, volatile int32_t* addr);
/*
條件交換的原子操作。只有在oldValue等於*addr時，才會把newValue賦值给*addr。
這個函數的返回值須特別注意。返回值非零，表示沒有進行賦值操作。返回值为零，表示
進行了原子操作。
*/
int android_atomic_cmpxchg (int32_t oldvalue, int32_t newvalue,
                                volatile int32_t* addr);
有興趣的話，讀者可以對上述函數的實現進行深入研究，其中：
X86平台的實現在system/core/libcutils/Atomic.c中，注意其代碼在#elif defined(__i386__) || defined(__x86_64__)所包括的代碼段內。
ARM平台的實現在system/core/libcutils/atomic-android-arm.S匯編文件中。
原子操作的最大好處在於避免了锁的使用，這對整個程序運行效率的提高有很大幫助。目前，在多核並行編程中，最高境界就是完全不使用锁。當然，它的難度可想而知是巨大的。