Linux内核同步方法（一）

LInux内核提供了一组相当完备的同步方法．

（一）：原子操作

原子操作是其他同步方法的基石．原子操作可以保证指令以原子的方式执行－－执行过程不被打断．原子原本是指不可分割的微粒，所以，原子操作也就是不能够被分割的指令．两个原子操作绝对不可能并发的访问同一个变量．

内核提供了两组原子操作接口－－一组针对整数的操作，另一组针对单独的位进行操作．在Linux支持的所有体系结构上都实现了这两组接口．大多数体系结构会提供支持原子操作的简单算术指令．

（１）：原子整数操作

针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据进行处理．在这里之所以引入了一个特殊的数据类型，而没有直接使用C语言的int类型，主要是出于两个原因：首先，让原子函数只接收atomic_t类型的操作数，可以确保原子操作只与这种特殊类型数据一起使用．同时，这也保证了该类型的数据不会被传递给任何非原子函数．其次，使用atomic_t类型确保编译器不对相应的值进行访问优化－－这点使得原子操作最终接收到正确的内存地址，而不只是一个别名．最后，在不同体系结构上实现原子操作的时候，使用atomic_t可以屏蔽其间的差异．atomic_t类型定义在

typedef struct {
    volatile int counter;
} atomic_t;

#ifdef CONFIG_64BIT

typedef struct {
    volatile long counter;
} atomic64_t;
#endif

尽管Linux支持的所有机器上的整数数据都是３２位的，但是使用atomic_t的代码只能将该类型的数据当做２４位来使用．这个限制完全是因为在APARC体系结构上，原子操作的实现不同于其他体系结构：３２位int类型的低８位被嵌入了一个锁，因为SPARC体系结构对原子操作缺乏指令级支持，所以只能利用该锁来避免对原子类型数据的并发访问．所以在SPARC机器上就只能使用24位了．虽然其他机器上的代码完全可以使用全部的３２位，但是在SPARC机器上却可能会造成一些奇怪和微妙的错误．不过，最近SPARC可能已经支持３２位的atomic_t了．

使用原子操作需要的声明都在asm/atomic.h文件中．有些体系结构会提供一些只能在该体系结构上使用的额外原子操作方法，但是所有的体系结构都能保证内核使用到的所有操作的最小集．在编写内核代码的时候，可以肯定，这个最小集合在所有的体系结构上都已经实现了．

定义一个atomic_t类型的数据方法很平常，还可以在定义的时候给他设定初值．

原子整数操作最常见的用途就是实现计数器．使用复杂的锁机制来保护一个单纯的计数器显然是杀鸡用了宰牛刀．所以，对于开发者来说，最好使用atomic_inc()和atomic_dec()这两个相对来说轻便一点的操作．

还可以用原子整数操作原子的执行一个操作并检查结果．一个常见的例子就是原子的减操作和检查．

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)

这个函数将给定的原子变量减１，如果结果为０，就返回真，否则结果返回假．某种特定的体系结构上是实现的所有操作可以在文件asm/atomic.h文件中找到．

我已经在我的另外一篇博客中讲述了该头文件，比较详细，可以看一下．

原子操作通常是内联函数，往往是通过内联汇编指令来实现的．如果某个函数本来就是原子的，那么他往往被定义成一个宏．例如，在大部分体系结构上，读取一个字本身就是原子操作，也就是说，在对一个字进行写入操作期间不可能完成对该字的读取．这样，把atomic_read()定义成一个宏，只须返回ztomic_t类型的整数值就可以了．

原子性和顺序性是不一样的．原子性确保指令执行期间不被打断，要么全部执行完，要么根本不执行．另一方面，顺序性确保即使两条或多条指令出现在独立的执行线程中，甚至独立的机器上，他们本该的执行顺序却依然要保持．

（２）：６４位原子操作

６４位的原子操作是对长整型的一个封装，如果要使用64位的原子变量，则要使用atomic64_t，使用的方法和３２位是一样的．

（３）：原子位操作

除了原子整数操作以外，内核也提供了针对位这一级数据进行操作的函数．他们是与体系结构相关的操作，定义在文件asm/bitops.h中．

其中位操作函数是对普通的内存地址进行操作的．他的参数是一个指针和一个位号，第０位是给定地址的最低有效位，第３１位是给定地址的最高有效位，第32位是下一个字的最低有效位．虽然，使用原子位操作在多数情况下是对一个字长的内存进行访问，因而位号应该位于0~31之间（６４位是0~63），但是，对位号的范围并没有限制．

由于原子位操作是对普通的指针进行的操作，所以不像原子整型对应atomic_t，这里没有特殊的数据类型．相反，只要指针指向了任何你希望的数据，你就可以对他进行操作．

内核还提供了一组对于位的非原子操作．非原子函数和原子函数的操作完全相同．但是，前者不保证原子性，且其名字前缀多两个下划线．例如，与test_bit()相对应的非原子函数为__test_bit()．如果你不需要原子操作（比如说，你已经用锁保护了自己的数据），那么这些非原子的位函数比原子的位函数可能会执行的快一些．

内核还提供了两个例程用来从指定的地址开始搜索第一个被设置的（或未被设置的）位：

int find_first_bit(unsigned long *addr,unsigned int size);
int find_first_zero_bit(unsigned long *addr,unsigned int size);

这两个函数中第一个参数是一个指针，第二个参数是要搜索的总位数．返回值分别是第一个被设置的（或没被设置）的位的位号．如果你的搜索范围仅限一个字，使用_ffs()和ffz()这两个函数更好，他们只需要给定一个要搜索的地址做参考．

　未完，待续－－－－