Linux的原子操作與同步機制

轉載自：https://www.cnblogs.com/fanzhidongyzby/p/3654855.html

並發問題

現代操作系統支持多任務的並發，並發在提高計算資源利用率的同時也帶來了資源競爭的問題。例如C語言語句“count++;”在未經編譯器優化時生成的匯編代碼為。

當操作系統內存在多個進程同時執行這段代碼時，就可能帶來並發問題。

假設count變量初始值為0。進程1執行完“mov eax, [count]”後，寄存器eax內保存了count的值0。此時，進程2被調度執行，搶占了進程1的CPU的控制權。進程2執行“count++;”的匯編代碼，將累加後的count值1寫回到內存。然後，進程1再次被調度執行，CPU控制權回到進程1。進程1接著執行，計算count的累加值仍為1，寫回到內存。雖然進程1和進程2執行了兩次“count++;”操作，但是count實際的內存值為1，而不是2！

單處理器原子操作

解決這個問題的方法是，將“count++;”語句翻譯為單指令操作。

Intel x86指令集支持內存操作數的inc操作，這樣“count++;”操作可以在一條指令內完成。因為進程的上下文切換是在總是在一條指令執行完成後，所以不會出現上述的並發問題。對於單處理器來說，一條處理器指令就是一個原子操作。

多處理器原子操作

但是在多處理器的環境下，例如SMP架構，這個結論不再成立。我們知道“inc [count]”指令的執行過程分為三步：

1）從內存將count的數據讀取到cpu。

2）累加讀取的值。

3）將修改的值寫回count內存。

這又回到前面並發問題類似的情況，只不過此時並發的主題不再是進程，而是處理器。

Intel x86指令集提供了指令前綴lock用於鎖定前端串行總線（FSB），保證了指令執行時不會受到其他處理器的幹擾。

使用lock指令前綴後，處理器間對count內存的並發訪問（讀/寫）被禁止，從而保證了指令的原子性。

x86原子操作實現

Linux的源碼中x86體系結構原子操作的定義文件為。

linux2.6/include/asm-i386/atomic.h

文件內定義了原子類型atomic_t，其僅有一個字段counter，用於保存32位的數據。

typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;

其中原子操作函數atomic_inc完成自加原子操作。

/**

 * atomic_inc - increment atomic variable

 * @v: pointer of type atomic_t

 *

 * Atomically increments @v by 1.

 */

static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)

{

    __asm__ __volatile__(

       LOCK "incl %0"

       :"=m" (v->counter)

       :"m" (v->counter));

} 

其中LOCK宏的定義為。

#ifdef CONFIG_SMP

    #define LOCK "lock ; "

#else

    #define LOCK ""

#endif

可見，在對稱多處理器架構的情況下，LOCK被解釋為指令前綴lock。而對於單處理器架構，LOCK不包含任何內容。

arm原子操作實現

在arm的指令集中，不存在指令前綴lock，那如何完成原子操作呢？

Linux的源碼中arm體系結構原子操作的定義文件為。

linux2.6/include/asm-arm/atomic.h

其中自加原子操作由函數atomic_add_return實現。

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;

}

上述嵌入式匯編的實際形式為。

1:

ldrex  [result], [v->counter]

add    [result], [result], [i]

strex  [temp], [result], [v->counter]

teq    [temp], #0

bne    1b

ldrex指令將v->counter的值傳送到result，並設置全局標記“Exclusive”。

add指令完成“result+i”的操作，並將加法結果保存到result。

strex指令首先檢測全局標記“Exclusive”是否存在，如果存在，則將result的值寫回counter->v，並將temp置為0，清除“Exclusive”標記，否則直接將temp置為1結束。

teq指令測試temp值是否為0。

bne指令temp不等於0時跳轉到標號1，其中字符b表示向後跳轉。

示意圖如下：

整體看來，上述匯編代碼一直嘗試完成“v->counter+=i”的操作，直到temp為0時結束。

使用ldrex和strex指令對是否可以保證add指令的原子性呢？假設兩個進程並發執行“ldrex+add+strex”操作，當進程1執行ldrex後設定了全局標記“Exclusive”。此時切換到進程2，執行ldrex前全局標記“Exclusive”已經設定，ldrex執行後重復設定了該標記。然後執行add和strex指令，完成累加操作。再次切換回進程1，接著執行add指令，當執行strex指令時，由於“Exclusive”標記被進程2清除，因此不執行傳送操作，將temp設置為1。後繼teq指令測定temp不等於0，則跳轉到起始位置重新執行，最終完成累加操作！可見ldrex和strex指令對可以保證進程間的同步。多處理器的情況與此相同，因為arm的原子操作只關心“Exclusive”標記，而不在乎前端串行總線是否加鎖。

在ARMv6之前，swp指令就是通過鎖定總線的方式完成原子的數據交換，但是影響系統性能。ARMv6之後，一般使用ldrex和strex指令對代替swp指令的功能。

自旋鎖中的原子操作

Linux的源碼中x86體系結構自旋鎖的定義文件為。

linux2.6/include/asm-i386/spinlock.h

其中__raw_spin_lock完成自旋鎖的加鎖功能

#define __raw_spin_lock_string 
    "\n1:\t" 
    "lock ; decb %0\n\t" 
    "jns 3f\n" 
    "2:\t" 
    "rep;nop\n\t" 
    "cmpb $0,%0\n\t" 
    "jle 2b\n\t" 
    "jmp 1b\n" 
    "3:\n\t"

static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)

{

    __asm__ __volatile__(

       __raw_spin_lock_string

       :"=m" (lock->slock) : : "memory");

}

上述代碼的實際匯編形式為:

1：

lock   decb [lock->slock]

jns    3

2:

rep    nop

cmpb   $0, [lock->slock]

jle    2

jmp    1

3:

示意圖如下：

其中lock->slock字段初始值為1，執行原子操作decb後值為0。符號位為0，執行jns指令跳轉到3，完成自旋鎖的加鎖。

當再次申請自旋鎖時，執行原子操作decb後lock->slock值為-1。符號位為1，不執行jns指令。進入標簽2，執行一組nop指令後比較lock->slock是否小於等於0，如果小於等於0回到標簽2進行循環（自旋）。否則跳轉到標簽1重新申請自旋鎖，直到申請成功。

自旋鎖釋放時會將lock->slock設置為1，這樣保證了其他進程可以獲得自旋鎖。

信號量中的原子操作

Linux的源碼中x86體系結構信號量的定義文件為。

linux2.6/include/asm-i386/semaphore.h

信號量的申請操作由函數down實現。

/*

 * This is ugly, but we want the default case to fall through.

 * "__down_failed" is a special asm handler that calls the C

 * routine that actually waits. See arch/i386/kernel/semaphore.c

 */

static inline void down(struct semaphore * sem)

{

    might_sleep();

    __asm__ __volatile__(

       "# atomic down operation\n\t"

       LOCK "decl %0\n\t"     /* --sem->count */

       "js 2f\n"

       "1:\n"

       LOCK_SECTION_START("")

       "2:\tlea %0,%%eax\n\t"

       "call __down_failed\n\t"

       "jmp 1b\n"

       LOCK_SECTION_END

       :"=m" (sem->count)

       :

       :"memory","ax");

}

實際的匯編代碼形式為:

lock   decl [sem->count]

js 2

1:

<========== another section ==========>

2:

lea    [sem->count], eax

call   __down_failed

jmp 1

信號量的sem->count一般初始化為一個正整數，申請信號量時執行原子操作decl，將sem->count減1。如果該值減為負數（符號位為1）則跳轉到另一個段內的標簽2，否則申請信號量成功。