Linux 内核原子操作

本文主要介绍了原子操作的一些相关用法。

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  • 前言

    一、原子操作

    二、整型原子操作

    1.设置原子变量的值

    2.获取原子变量的值

    3.原子变量加、减

     4.原子变量自增、自减

    5.操作

    三、位原子操作

    example 使用原子变量使设备只能被一个进程打开

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前言

        本文主要介绍了原子操作的一些相关用法。用于记录。  

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一、原子操作

     原子操作可以保证对一个整型数据的修改是排他性的。Linux内核提供了一系列函数来实现内核中的原子操作，这些函数又分为两类，分别针对位和整型变量进行原子操作。位和整型变量的原子操作都依赖于底层CPU的原子操作，因此所有这些函数都与CPU架构密切相关。对于ARM处理器而言，底层使用LDREX和STREX指令，比如atomic_inc（）底层的实现会调用到atomic_add（），其代码如下：

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
    unsigned long tmp;
    int result;
    prefetchw(&v->counter);
    __asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"
    "1:
    ldrex
    %0, [%3]\n"
    "
    add
    %0, %0, %4\n"
    "
    strex
    %1, %0, [%3]\n"
    "
    teq
    %1, #0\n"
    "
    bne
    1b"
    : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
    : "r" (&v->counter), "Ir" (i)
    : "cc");
}

        ldrex指令跟strex配对使用，可以让总线监控ldrex到strex之间有无其他的实体存取该地址，如果有并发的访问，执行strex指令时，第一个寄存器的值被设置为1（Non-Exclusive Access）并且存储的行为也不成功；如果没有并发的存取，strex在第一个寄存器里设置0（Exclusive Access）并且存储的行为也是成功的。本例中，如果两个并发实体同时调用ldrex+strex，如图7.6所示，在T3时间点上，CPU0的strex会执行失败，在T4时间点上CPU1的strex会执行成功。所以CPU0和CPU1之间只有CPU1执行成功了，执行strex失败的CPU0的“teq%1，#0”判断语句不会成立，于是失败的CPU0通过“bne 1b”再次进入ldrex。ldrex和strex的这一过程不仅适用于多核之间的并发，也适用于同一个核内部并发的情况。

二、整型原子操作

1.设置原子变量的值

void atomic_set(atomic_t *v, int i);/*设置原子变量的值为 i*/
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);/*定义原子变量 v 并初始化为 0*/

2.获取原子变量的值

atomic_read(atomic_t *v);/*返回原子变量的值 */

3.原子变量加、减

void atomic_add(int i, atomic_t *v);/*原子变量增加 i*/
void atomic_sub(int i, atomic_t *v);/*原子变量减少 i*/

 4.原子变量自增、自减

void atomic_inc(atomic_t *v);/*原子变量增加1*/
void atomic_dec(atomic_t *v);/*原子变量减少1*/

5.操作

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
/*上述操作对原子变量执行自增、自减和减操作后（注意没有加），测试其是否为0，为0返回true，否
则返回false。*/
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_inc_return(atomic_t *v);
int atomic_dec_return(atomic_t *v);
/*上述操作对原子变量进行加/减和自增/自减操作，并返回新的值。*/

三、位原子操作

 

1.设置位
void set_bit(nr, void *addr);
上述操作设置addr地址的第nr位，所谓设置位即是将位写为1。
2.清除位
void clear_bit(nr, void *addr);
上述操作清除addr地址的第nr位，所谓清除位即是将位写为0。
3.改变位
void change_bit(nr, void *addr);
上述操作对addr地址的第nr位进行反置。
4.测试位
test_bit(nr, void *addr);
上述操作返回addr地址的第nr位。
5.测试并操作位
int test_and_set_bit(nr, void *addr);
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
int test_and_change_bit(nr, void *addr);
上述test_and_xxx_bit（nr，void*addr）操作等同于执行test_bit（nr，void*addr）后再执行
xxx_bit（nr，void*addr）。

example 使用原子变量使设备只能被一个进程打开

static atomic_t xxx_available = ATOMIC_INIT(1); /* 定义原子变量 */

static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
   ...
 if (!atomic_dec_and_test(&xxx_available)) {
    atomic_inc(&xxx_available);
    return - EBUSY;
    /* 已经打开 */9 }
    ...
    return 0;
   /* 成功 */
}

static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  atomic_inc(&xxx_available);
  /* 释放设备 */
  return 0;
}

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