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2012-07-06 14:45:36
前段时间重新研究了一下Linux的并发控制机制,对于内核的自旋锁、互斥锁、信号量等机制及其变体做了底层代码上的研究。因为只有从原理上理解了这些机制,在编写驱动的时候才会记得应该注意什么。这些机制基本都从代码上理解了,但是唯有一个不是非常理解的是内核对于ARM构架中原子变量的底层支持,这个机制其实在自旋锁、互斥锁以及读写锁等内核机制中都有类似的使用。这里将学习的结果写出,请大家指正。
假设原子变量的底层实现是由一个汇编指令实现的,这个原子性必然有保障。但是如果原子变量的实现是由多条指令组合而成的,那么对于SMP和中断的介入会不会有什么影响呢?我在看ARM的原子变量操作实现的时候,发现其是由多条汇编指令(ldrex/strex)实现的。在参考了别的书籍和资料后,发现大部分书中对这两条指令的描诉都是说他们是支持在SMP系统中实现多核共享内存的互斥访问。但在UP系统中使用,如果ldrex/strex和之间发生了中断,并在中断中也用ldrex/strex操作了同一个原子变量会不会有问题呢?就这个问题,我认真看了一下内核的ARM原子变量源码和ARM官方对于ldrex/strex的功能解释,总结如下:
一、ARM构架的原子变量实现结构
对于ARM构架的原子变量实现源码位于:arch/arm/include/asm/atomic.h
其主要的实现代码分为ARMv6以上(含v6)构架的实现和ARMv6版本以下的实现。
该文件的主要结构如下:
这样的安排是依据ARM核心指令集版本的实现来做的:
(1)在ARMv6以上(含v6)构架有了多核的CPU,为了在多核之间同步数据和控制并发,ARM在内存访问上增加了独占监测(Exclusive monitors)机制(一种简单的状态机),并增加了相关的ldrex/strex指令。请先阅读以下参考资料(关键在于理解local monitor和Global monitor):
(2)对于ARMv6以前的构架不可能有多核CPU,所以对于变量的原子访问只需要关闭本CPU中断即可保证原子性。
对于(2),非常好理解。
但是(1)情况,我还是要通过源码的分析才认同这种代码,以下我仅仅分析最具有代表性的atomic_add源码,其他的API原理都一样。如果读者还不熟悉C内嵌汇编的格式,请参考《ARM GCC 内嵌汇编手册》
二、内核对于ARM构架的atomic_add源码分析
源码分析:
注意:根据内联汇编的语法,result、tmp、&v->counter对应的数据都放在了寄存器中操作。如果出现上下文切换,切换机制会做寄存器上下文保护。
意思是将&v->counter指向的数据放入result中,并且(分别在Local monitor和Global monitor中)设置独占标志。
(2)add %0, %0, %4
result = result +
i
(3)strex %1, %0, [%3]
意思是将result保存到&v->counter指向的内存中,此时 Exclusive
monitors会发挥作用,将保存是否成功的标志放入tmp中。
(4) teq %1, #0
测试strex是否成功(tmp == 0 ??)
(5)bne 1b
如果发现strex失败,从(1)再次执行。
1、UP系统或SMP系统中变量为非CPU间共享访问的情况
此情况下,仅有一个CPU可能访问变量,此时仅有Local monitor需要关注。
假设CPU执行到(2)的时候,来了一个中断,并在中断里使用ldrex/strex操作了同一个原子变量。则情况如下图所示:
也就是说,中断例程里的操作会成功,被中断的操作会失败重试。
2、SMP系统中变量为CPU间共享访问的情况
此情况下,需要两个CPU间的互斥访问,此时ldrex/strex指令会同时关注Local monitor和Global monitor。
(i)两个CPU同时访问同个原子变量(ldrex/strex指令会关注Global monitor。)
(ii)同一个CPU因为中断,“嵌套”访问同个原子变量(ldrex/strex指令会关注Local monito)
也就是说,中断例程里的操作会成功,被中断的操作会失败重试。
(iii)两个CPU同时访问同个原子变量,并同时有CPU因中断“嵌套”访问改原子变量(ldrex/strex指令会同时关注Local monitor和Global monitor)
虽然对于人来说,这种情况比较BT。但是在飞速运行的CPU来说,BT的事情随时都可能发生。
当然还有其他许多复杂的可能,也可以通过ldrex/strex指令的机制分析出来。从上面列举的分析中,我们可以看出:ldrex/strex可以保证在任何情况下(包括被中断)的访问原子性。所以内核中ARM构架中的原子操作是可以信任的。