v34.04 鸿蒙内核源码分析(原子操作篇) | 谁在为原子操作保驾护航 | 百篇博客分析OpenHarmony源码

原创
2021/02/18 17:44
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子曰:“吾未见好德如好色者也。” 《论语》:子罕篇

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百篇博客系列篇.本篇为: v34.xx 鸿蒙内核源码分析(原子操作篇) | 谁在为原子操作保驾护航 在这里插入图片描述

基础工具相关篇为:

本篇说清楚原子操作

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)系列篇.

基本概念

在支持多任务的操作系统中,修改一块内存区域的数据需要“读取-修改-写入”三个步骤。然而同一内存区域的数据可能同时被多个任务访问,如果在修改数据的过程中被其他任务打断,就会造成该操作的执行结果无法预知。

使用开关中断的方法固然可以保证多任务执行结果符合预期,但这种方法显然会影响系统性能。

ARMv6架构引入了LDREXSTREX指令,以支持对共享存储器更缜密的非阻塞同步。由此实现的原子操作能确保对同一数据的“读取-修改-写入”操作在它的执行期间不会被打断,即操作的原子性。

有多个任务对同一个内存数据进行加减或交换操作时,使用原子操作保证结果的可预知性。

看过鸿蒙内核源码分析(总目录)自旋锁篇的应该对LDREX和STREX指令不陌生的,自旋锁的本质就是对某个变量的原子操作,而且一定要通过汇编代码实现,也就是说LDREXSTREX指令保证了原子操作的底层实现. 回顾下自旋锁申请和释放锁的汇编代码.

ArchSpinLock 申请锁代码

    FUNCTION(ArchSpinLock)  @死守,非要拿到锁
        mov     r1, #1      @r1=1
    1:                      @循环的作用,因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了
        ldrex   r2, [r0]    @r0 = &lock->rawLock, 即 r2 = lock->rawLock
        cmp     r2, #0      @r2和0比较
        wfene               @不相等时,说明资源被占用,CPU核进入睡眠状态
        strexeq r2, r1, [r0]@此时CPU被重新唤醒,尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r2=0
        cmpeq   r2, #0      @再来比较r2是否等于0,如果相等则获取到了锁
        bne     1b          @如果不相等,继续进入循环
        dmb                 @用DMB指令来隔离,以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
        bx      lr          @此时是一定拿到锁了,跳回调用ArchSpinLock函数

ArchSpinUnlock 释放锁代码

    FUNCTION(ArchSpinUnlock)    @释放锁
        mov     r1, #0          @r1=0               
        dmb                     @数据存储隔离,以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
        str     r1, [r0]        @令lock->rawLock = 0
        dsb                     @数据同步隔离
        sev                     @给各CPU广播事件,唤醒沉睡的CPU们
        bx      lr              @跳回调用ArchSpinLock函数

运作机制

鸿蒙通过对ARMv6架构中的LDREXSTREX进行封装,向用户提供了一套原子操作接口。

  • LDREX Rx, [Ry] 读取内存中的值,并标记对该段内存为独占访问:

    • 读取寄存器Ry指向的4字节内存数据,保存到Rx寄存器中。
    • 对Ry指向的内存区域添加独占访问标记。
  • STREX Rf, Rx, [Ry] 检查内存是否有独占访问标记,如果有则更新内存值并清空标记,否则不更新内存:

    • 有独占访问标记
      • 将寄存器Rx中的值更新到寄存器Ry指向的内存。
      • 标志寄存器Rf置为0。
    • 没有独占访问标记
      • 不更新内存。
      • 标志寄存器Rf置为1。
  • 判断标志寄存器 标志寄存器为0时,退出循环,原子操作结束。 标志寄存器为1时,继续循环,重新进行原子操作。

功能列表

原子数据包含两种类型Atomic(有符号32位数)与 Atomic64(有符号64位数)。原子操作模块为用户提供下面几种功能,接口详细信息可以查看源码。

在这里插入图片描述

此处讲述 LOS_AtomicAddLOS_AtomicSubLOS_AtomicReadLOS_AtomicSet 理解了函数的汇编代码是理解的原子操作的关键.

LOS_AtomicAdd

//对内存数据做加法
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicAdd(Atomic *v, INT32 addVal)	
{
    INT32 val;
    UINT32 status;

    do {
        __asm__ __volatile__("ldrex   %1, [%2]\n"
                             "add   %1, %1, %3\n" 
                             "strex   %0, %1, [%2]"
                             : "=&r"(status), "=&r"(val)
                             : "r"(v), "r"(addVal)
                             : "cc");
    } while (__builtin_expect(status != 0, 0));

    return val;
}

这是一段C语言内嵌汇编,逐一解读

    1. 先将 status val v addVal的值交由通用寄存器(R0~R3)接管.
    1. %2代表了入参v,[%2]代表的是参数v指向地址的值,也就是 *v ,函数要独占的就是它
    1. %0 ~ %3 对应 status val v addVal
    1. ldrex %1, [%2] 表示 val = *v ;
    1. add %1, %1, %3 表示 val = val + addVal;
    1. strex %0, %1, [%2] 表示 *v = val;
    1. status 表示是否更新成功,成功了置0,不成功则为 1
    1. __builtin_expect是结束循环的判断语句,将最有可能执行的分支告诉编译器。 这个指令的写法为:__builtin_expect(EXP, N)。

      意思是:EXP==N 的概率很大。

      综合理解__builtin_expect(status != 0, 0)

      说的是status = 0 的可能性很大,不成功就会重新来一遍,直到strex更新成(status == 0)为止.

    1. "=&r"(val) 被修饰的操作符作为输出,即将寄存器的值回给val,val为函数的返回值
    1. "cc"向编译器声明以上信息.

LOS_AtomicSub

//对内存数据做减法
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicSub(Atomic *v, INT32 subVal)	
{
    INT32 val;
    UINT32 status;

    do {
        __asm__ __volatile__("ldrex   %1, [%2]\n"
                             "sub   %1, %1, %3\n"
                             "strex   %0, %1, [%2]"
                             : "=&r"(status), "=&r"(val)
                             : "r"(v), "r"(subVal)
                             : "cc");
    } while (__builtin_expect(status != 0, 0));

    return val;
}

解读

  • LOS_AtomicAdd解读

volatile

这里要重点说下volatilevolatile 提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,都要直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。

//读取内存数据
STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicRead(const Atomic *v)	
{
    return *(volatile INT32 *)v;
}
//写入内存数据
STATIC INLINE VOID LOS_AtomicSet(Atomic *v, INT32 setVal)	
{
    *(volatile INT32 *)v = setVal;
}

编程实例

调用原子操作相关接口,观察结果:

1.创建两个任务

  • 任务一用LOS_AtomicAdd对全局变量加100次。
  • 任务二用LOS_AtomicSub对全局变量减100次。

2.子任务结束后在主任务中打印全局变量的值。

#include "los_hwi.h"
#include "los_atomic.h"
#include "los_task.h"

UINT32 g_testTaskId01;
UINT32 g_testTaskId02;
Atomic g_sum;
Atomic g_count;

UINT32 Example_Atomic01(VOID)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 100; ++i) {
        LOS_AtomicAdd(&g_sum,1);
    }

    LOS_AtomicAdd(&g_count,1);
    return LOS_OK;
}

UINT32 Example_Atomic02(VOID)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 100; ++i) {
        LOS_AtomicSub(&g_sum,1);
    }

    LOS_AtomicAdd(&g_count,1);
    return LOS_OK;
}

UINT32 Example_TaskEntry(VOID)
{
    TSK_INIT_PARAM_S stTask1={0};
    stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic01;
    stTask1.pcName       = "TestAtomicTsk1";
    stTask1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask1.usTaskPrio   = 4;
    stTask1.uwResved     = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;

    TSK_INIT_PARAM_S stTask2={0};
    stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic02;
    stTask2.pcName       = "TestAtomicTsk2";
    stTask2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask2.usTaskPrio   = 4;
    stTask2.uwResved     = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;

    LOS_TaskLock();
    LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &stTask1);
    LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &stTask2);
    LOS_TaskUnlock();

    while(LOS_AtomicRead(&g_count) != 2);
    dprintf("g_sum = %d\n", g_sum);

    return LOS_OK;
}

结果验证

g_sum = 0

百篇博客分析.深挖内核地基

  • 给鸿蒙内核源码加注释过程中,整理出以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。 😛
  • 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

按功能模块:

基础工具 加载运行 进程管理 编译构建
双向链表 位图管理 用栈方式 定时器 原子操作 时间管理 ELF格式 ELF解析 静态链接 重定位 进程映像 进程管理 进程概念 Fork 特殊进程 进程回收 信号生产 信号消费 Shell编辑 Shell解析 编译环境 编译过程 环境脚本 构建工具 gn应用 忍者ninja
进程通讯 内存管理 前因后果 任务管理
自旋锁 互斥锁 进程通讯 信号量 事件控制 消息队列 内存分配 内存管理 内存汇编 内存映射 内存规则 物理内存 总目录 调度故事 内存主奴 源码注释 源码结构 静态站点 时钟任务 任务调度 任务管理 调度队列 调度机制 线程概念 并发并行 CPU 系统调用 任务切换
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文件概念 文件系统 索引节点 挂载目录 根文件系统 字符设备 VFS 文件句柄 管道文件 汇编基础 汇编传参 工作模式 寄存器 异常接管 汇编汇总 中断切换 中断概念 中断管理

百万汉字注解.精读内核源码

WeHarmony/kernel_liteos_a_note

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