内核原子变量实现分析

原子变量原理分析

内核中同步机制有很多，其中原子变量和自旋锁机制是使用的很普遍的两种机制。周末心情愉快，借这样的时间写一篇分析的文章，也不完全荒废这美好的时间。这种无聊的屌似情调也只能用“呵呵”二字表达了。

闲话少扯，直入主题。话说这原子操作为何物，直白的说就是atomic_read，atomic_write。顾名思义，原子操作就是，对变量的操作是一个整体而不可以打断的。需要这样的操作的最直接原因是，在多核系统中，对内存中变量的操作往往不是一个整体。比如，对内存的写操作往往是这样的过程：

如果两个cpu同时执行同一个变量的自增操作，那么根据上面这个过程来分析，最后得到的变量只会被增加1而不是增加2，从而可以看出原子操作在多核系统上的重要性。

下面我们以atomic_add作为一个例子，来分析arm体系架构下原子加是如何实现的。

static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)

{

unsigned long tmp;

int result;

__asm__ __volatile__("@ atomic_add_return\n"

"1: ldrex %0, [%2]\n"

" add %0, %0, %3\n"

" strex %1, %0, [%2]\n"

" teq %1, #0\n"

" bne 1b"

: "=&r" (result), "=&r" (tmp)

: "r" (&v->counter), "Ir" (i)

: "cc");

return result;

}

首先%0 代表变量result，%1代表tmp，%2代表（&v->counter），%3代表i。而正在实现原子操作的两条指令是ldrex和strex

ldrex %0, [%2]

这条指令为读取&v->counter地址的内容到寄存器result

add %0， %0， %3

这条指令为将寄存器result和i相加，将结果保存到result中

strex %1， %0， [%2]

这条指令是将result寄存器中的值写道&v->counter地址内存的位置

bne 1b

这个指令比较关键，如果上面strex执行成功了，%1将被设置为0，则设置成功，处理结束了，如果%1被设置成为了1，表示设置失败，然后惨烈的重新跳到1：位置重新开始上面的过程。

ldrex和strex是ld/st操作的升级版本。ldrex从内存中读取变量的时候，对于读取地址做了标记，并记录了读取该地址的cpuid。如果在该cpu调用strex之前，有其它核调对同一个地址调用了ldrex，那么这个核在反存时执行strex发现记录的cpuid不对，就会设置操作失效。

同样，如果单个cpu中，ldrex操作被其它ldrex操作打断，同样会导致整个操作失败。原因是strex操作会将上次记录的地址和cpuid清除掉。

对于单核的系统，原子操作则很好实现，只需要简单的关闭中断，操作就不会被打断。

static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)

{

unsigned long flags;

int val;

raw_local_irq_save(flags);

val = v->counter;

v->counter = val += i;

raw_local_irq_restore(flags);

return val;

}