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关于Linux的原子操作

中华大吉CNDuGi
 中华大吉CNDuGi
发布于 2011/12/26 10:33
字数 1929
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    原子操作,顾名思义,就是说像原子一样不可再细分不可被中途打断。一个操作是原子操作,意思就是说这个操作是以原子的方式被执行,要一口气执行完,执行过程不能够被OS的其他行为打断,是一个整体的过程,在其执行过程中,OS的其它行为是插不进来的。

在linux中提供了两种形式的原子操作:
    一种是对整数进行的操作
    一种是对单独的位进行操作

在linux中有一个专门的atomic_t类型(一个24位原子访问计数器)和一些对atomic类型变量进行相应操作的的函数
其atomic_t原型如下:
    typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
它是一个只含有一个volatile类型的成员变量的结构体;因此编译器不对相应的值进行访问优化(因为是volatile类型的)。

原子整数操作的使用:
    常见的用途是计数器,因为计数器是一个很简单的操作,所以无需复杂的锁机制;
    能使用原子操作的地方,尽量不使用复杂的锁机制;

对atomic_t类型的变量的使用方法以及对其所能进行的操作:
下面是相应的函数及其原型:

小提示:
******
在其函数的实现体中,有一个LOCK_PREFIX宏定义,如果选了CONFIG_SMP,就会定义这么一个宏,与SMP相关的一些设置,否则LOCK_PREFIX的定义就为空;
******

//原子的读取atomic_t变量的值,v是这个变量的地址
#define atomic_read(v)        ((v)->counter)

//原子的设置atomic_t变量的值,v是这个变量的地址,i要设置的新值; 
#define atomic_set(v,i)        (((v)->counter) = (i))

//原子的增加atomic_t变量的值,i是要增加的数值,v是这个变量的地址
static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
        :"=m" (v->counter)
        :"ir" (i), "m" (v->counter));
}

//原子的减少atomic_t变量的值,i是要减少的数值,v是这个变量的地址;
static __inline__ void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
        :"=m" (v->counter)
        :"ir" (i), "m" (v->counter));
}

//原子的对atomic_t变量的值进行减少i的操作,并且检测其结果是否为0;若为0,返回true,否则,返回false;
//i是要减少的数值,v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
{
    unsigned char c;

    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"
        :"=m" (v->counter), "=qm" (c)
        :"ir" (i), "m" (v->counter) : "memory");
    return c;
}

//原子的对atomic_t变量的值进行加1的操作,v是这个变量的地址;
static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
{
    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "incl %0"
        :"=m" (v->counter)
        :"m" (v->counter));
}

//原子的对atomic_t变量的值进行减1的操作,v是这个变量的地址;
static __inline__ void atomic_dec(atomic_t *v)
{
    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "decl %0"
        :"=m" (v->counter)
        :"m" (v->counter));
}

//原子的对atomic_t变量的值进行减少1的操作,并且检测其结果是否为0;若为0,返回true,否则,返回false;
//v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
{
    unsigned char c;

    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"
        :"=m" (v->counter), "=qm" (c)
        :"m" (v->counter) : "memory");
    return c != 0;
}

//原子的对atomic_t变量的值进行加1的操作,并且检测其结果是否为0;若为0,返回true,否则,返回false;
//v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
{
    unsigned char c;

    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"
        :"=m" (v->counter), "=qm" (c)
        :"m" (v->counter) : "memory");
    return c != 0;
}

//原子的对atomic_t变量的值进行加i的操作,并且检测其结果是否为负;若为负,返回true,否则,返回false;
//i是要增加的数值,v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
{
    unsigned char c;

    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "addl %2,%0; sets %1"
        :"=m" (v->counter), "=qm" (c)
        :"ir" (i), "m" (v->counter) : "memory");
    return c;
}

//原子的对atomic_t变量的值进行加i的操作,并且将所得结果返回;
//i是要增加的数值,v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
    int __i;
#ifdef CONFIG_M386
    unsigned long flags;
    if(unlikely(boot_cpu_data.x86==3))
        goto no_xadd;
#endif
    /* Modern 486+ processor */
    __i = i;
    __asm__ __volatile__(
        LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1;"
        :"=r"(i)
        :"m"(v->counter), "0"(i));
    return i + __i;

#ifdef CONFIG_M386
no_xadd: /* Legacy 386 processor */
    local_irq_save(flags);
    __i = atomic_read(v);
    atomic_set(v, i + __i);
    local_irq_restore(flags);
    return i + __i;
#endif
}
//原子的对atomic_t变量的值进行减i的操作,并且将所得结果返回;
//i是要减少的数值,v是这个变量的地址;
static __inline__ int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
    return atomic_add_return(-i,v);
}

//原子的比较old与v是否相等,若相等,则把new的值写入到v中,并且返回old的值;
#define atomic_cmpxchg(v, old, new) ((int)cmpxchg(&((v)->counter), old, new))

//原子的比较
#define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new))

/**
 * atomic_add_unless - add unless the number is a given value
 * @v: pointer of type atomic_t
 * @a: the amount to add to v...
 * @u: ...unless v is equal to u.
 *
 * Atomically adds @a to @v, so long as it was not @u.
 * Returns non-zero if @v was not @u, and zero otherwise.
 */
//原子的对atomic_t变量的值进行加a的操作,直到v等于u,如果v与u不等,返回非零值;否则返回0;
//a是要增加的数值,v是这个变量的地址,u是要比较的值;
#define atomic_add_unless(v, a, u)                \
({                                \
    int c, old;                        \
    c = atomic_read(v);                    \
    for (;;) {                        \
        if (unlikely(c == (u)))                \
            break;                    \
        old = atomic_cmpxchg((v), c, c + (a));        \
        if (likely(old == c))                \
            break;                    \
        c = old;                    \
    }                            \
    c != (u);                        \
})
#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)

#define atomic_inc_return(v)  (atomic_add_return(1,v))
#define atomic_dec_return(v)  (atomic_sub_return(1,v))

//掩码
/* These are x86-specific, used by some header files */
#define atomic_clear_mask(mask, addr) \
__asm__ __volatile__(LOCK_PREFIX "andl %0,%1" \
: : "r" (~(mask)),"m" (*addr) : "memory")

#define atomic_set_mask(mask, addr) \
__asm__ __volatile__(LOCK_PREFIX "orl %0,%1" \
: : "r" (mask),"m" (*(addr)) : "memory")

下面举例说明原子操作的用法:
定义一个atomic_c类型的数据很简单,还可以定义时给它设定初值:
(1) atomic_t u;                     /*定义 u*/
(2) atomic_t v = ATOMIC_INIT(0)     /*定义 v 并把它初始化为0*/
对其操作:
(1) atomic_set(&v,4)                /* v = 4 ( 原子地)*/
(2) atomic_add(2,&v)                /* v = v + 2 = 6 (原子地) */
(3) atomic_inc(&v)                   /* v = v + 1 =7(原子地)*/
如果需要将atomic_t转换成int型,可以使用atomic_read()来完成:
       printk(“%d\n”,atomic_read(&v));    /* 会打印7*/
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是很笨拙的,所以,开发者最好使用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地执行一个操作并检查结果。一个常见的例子是原子的减操作和检查。
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
这个函数让给定的原子变量减1,如果结果为0,就返回1;否则返回0

原子位操作
    操作函数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
    原子位操作中没有特殊的数据类型
        例如:set_bit(0, &word); 
如:标志寄存器EFLSGS的系统标志,用于控制I/O访问,可屏蔽硬件中断。共32位,不同的位代表不同的信息,对其中信息改变都是通过位操作实现的
原子操作中的位操作部分函数如下:
void set_bit(int nr, void *addr)        原子设置addr所指的第nr位
void clear_bit(int nr, void *addr)      原子的清空所指对象的第nr位
void change_bit(nr, void *addr)         原子的翻转addr所指的第nr位
int test_bit(nr, void *addr)            原子的返回addr位所指对象nr位
int test_and_set_bit(nr, void *addr)    原子设置addr所指对象的第nr位,并返回原先的值
int test_and_clear_bit(nr, void *addr)  原子清空addr所指对象的第nr位,并返回原先的值
int test_and_change_bit(nr, void *addr)  原子翻转addr所指对象的第nr位,并返回原先的值

© 著作权归作者所有

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