Latest Update:2010/10/23

原子操作

原子操作用于执行轻量级、仅执行一次的操作，比如修改计数器，某些条件下的增加值或设置位等。原子操作指的是指令以原子的方式执行。之所以用原子来修饰这种操作方式是因为它们均不可再分。也就是说，原子操作要么一次性执行完毕，要么就不执行，这些操作的执行过程是不可被打断的。原子操作的具体实现取决于体系架构，以下代码如无特别声明，均来自linux/arch/x86/include/asm/atomic.h中

内核中提供了两组原子操作的接口：原子整形操作和原子位操作。前者是一组对整形数据的操作，后者则是针对单独的位操作。通过上面的叙述我们可以知道，这写操作接口完成的动作都是原子的。

原子整形操作

0.数据结构

在linux/include/linux/types.h中有如下定义：

 190typedef struct {
 191        int counter;
 192} atomic_t;

原子类型内部只有一个整型的成员counter。

1.初始化/设置原子变量的值

  15#define ATOMIC_INIT(i)  { (i) }

  35static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i)
  36{
  37        v->counter = i;
  38}

初始化宏的源码很明显的说明了如何初始化一个原子变量。我们在定义一个原子变量时可以这样的使用它：

  atomic_t v=ATOMIC_INIT(0);

atomic_set函数可以原子的设置一个变量的值。

2.获取原子变量的值

  23static inline int atomic_read(const atomic_t *v)
  24{
  25        return (*(volatile int *)&(v)->counter);
  26}

返回原子型变量v中的counter值。关键字volatile保证&(v->counter)的值固定不变，以确保这个函数每次读入的都是原始地址中的值。

3.原子变量的加与减

   47static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
  48{
  49        asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
  50                     : "+m" (v->counter)
  51                     : "ir" (i));
  52}

  61static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
  62{
  63        asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
  64                     : "+m" (v->counter)
  65                     : "ir" (i));
  66}

加减操作中使用了内联汇编语句。

linux中的汇编语句都采用AT&T指令格式。带有C表达式的内联汇编格式为：__asm__ __volatile__(“InstructionList” :Output :Input :Clobber/Modify);其中asm（或__asm__）用来声明一个内联汇编语句；关键字volatile是可选的，选择此关键字意味着向编译器声明“不要动我所写的指令，我需要原封不动的保留每一条指令”，否则，编译器可能会对指令进行优化。InstructionList即我们所加的汇编语句。指令后面的3个部分(Output， Input，Clobber/Modify)是可选的，分别指输出操作数，输入操作数，修改位。

下面我们针对上述加减操作对上述内联汇编语句做简单的解释。

在加函数中，对变量加操作的原子型表现在使用单条的汇编语句完成。指令中的%1，%0分别代表输入操作数和输出操作数，它们用来标示变量。内联汇编语句中的操作数从0开始进行编号，并且优先为输出操作数编号，然后再依次为输入操作数编号。在指令后的输出部分，“+m”中的+表示输出变量是可读可写的，m表示输出操作数存储于内存单元中，而不是在寄存器中。在输入部分，“ir”中的i表示输入操作数是一个直接操作数，r表示存储与寄存器中。输入部分和输出部分中的括号内的C语言格式的变量分别对应汇编语句中的输入操作数和输出操作数。

汇编语句addl %1,%0就是将i加至v->counter上，这个加的过程是原子的。

了解了加操作，那么减操作也就不难理解了，这里不再赘述。

4.原子变量的自加自减

  93static inline void atomic_inc(atomic_t *v)
  94{
  95        asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"
  96                     : "+m" (v->counter));
  97}

 105static inline void atomic_dec(atomic_t *v)
 106{
 107        asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0"
 108                     : "+m" (v->counter));
 109}

从内联的汇编语句中可以看到，自加自减均采用单条汇编指令，直接在输出数%0上加1或减1。这里的输出数%0的值即是v->counter变量的值。

5.操作并测试

atomic_sub_and_test函数实现的功能是原子的从v减去i，如果结果等于0，则返回1；否则返回0。

 77static inline int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
  78{
  79        unsigned char c;
  80
  81        asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"
  82                     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
  83                     : "ir" (i) : "memory");
  84        return c;
  85}

通过上述源码可以看到，第一条指令实现减操作；接着根据ZF的值设置c变量的值。sete命令的作用是，如果ZF=1，也就是说减的结果为0，将设置c变量为1；否则c的值为0。执行完毕后返回相应的c值。

 119static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
 120{
 121        unsigned char c;
 122
 123        asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"
 124                     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
 125                     : : "memory");
 126        return c != 0;
 127}

 137static inline int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
 138{
 139        unsigned char c;
 140
 141        asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"
 142                     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
 143                     : : "memory");
 144        return c != 0;
 145}

上数两个函数的作用是自减1或自加1后，再测试v值是否为0，如果是0，则返回1；否则返回0。

也许你会认为上述的加/减并测试并不是原子的。我个人的认为是：第一条加/减操作的确是原子的，当此条语句执行完毕后，会产生相应的ZF值。如果此时在执行sete之前产生了中断，那么肯定会保存当前寄存器等值。因此，即便中间产生了中断，返回的也是中断前加/减后的结果。

6.操作并返回

 173static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
 174{
 175        int __i;
 176#ifdef CONFIG_M386
 177        unsigned long flags;
 178        if (unlikely(boot_cpu_data.x86 <= 3))
 179                goto no_xadd;
 180#endif
 181        /* Modern 486+ processor */
 182        __i = i;
 183        asm volatile(LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1"
 184                     : "+r" (i), "+m" (v->counter)
 185                     : : "memory");
 186        return i + __i;
 187
 188#ifdef CONFIG_M386
 189no_xadd: /* Legacy 386 processor */
 190        raw_local_irq_save(flags);
 191        __i = atomic_read(v);
 192        atomic_set(v, i + __i);
 193        raw_local_irq_restore(flags);
 194        return i + __i;
 195#endif
 196}

首先if判断语句判断当前的处理器是否为386或386以下，如果是则直接执行no_xadd处开始的代码；否则紧接着判断语句执行。此处的unlikely表示”经常不“。因为现在的处理器大都高于386，所以编译器一般都按照高于386来处理，以达到优化源代码的目的。搞清楚这段代码的逻辑关系，那么接下来的工作就不困难了。

如果CPU高于386，则它将执行xaddl命令，该命令的作用是先交换源和目的操作数，再相加。这里%0，%1分别代表i和v->counter。首先将i值用__i保存；操作数交换后，%0，%1的值依次为v->counter和i；相加并保存到%1；最后%0，%1的结果就是v->counter，i+v->counter，返回的结果i+__i的结果就是i+v->counter。这里涉及到i和v->counter的值时均指初值。

理解了上述过程，再看其他的操作返回函数：

 205static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
 206{
 207        return atomic_add_return(-i, v);
 208}

可以看到，atomic_sub_return函数是对atomic_add_return函数的封装。而下面两个函数则又是对上述两个函数的封装。

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

上述就是对整形原子操作的分析。