test_and_set_bit()等小函数集合

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Man page of test_and_set_bit(int nr, volatile void *addr)这样描述它的功能：

"Set a bit and return its old value"

 nr -- Bit to set

 addr -- Address to count from

注意：nr是需要设置的“哪一位”，而不是将addr的值设置成nr。

例如"test_and_set_bit(0, &var)"，"0" 不是要设置的值，而是表示var中第0位需要被设置为"1"。此函数返回相应比特位上一次被设置的值。
test_and_clear_bit()用法正好相反， which assigns "0" to the specified bit.

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学了手内核的位运算（1）：test_and_set_bit
少年强，六月试锋芒。小弟踉跄学朝步，百战成钢，初登场。
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我一直都对位运算感兴趣，但凡最小的bit都能干一件大事，比如最多见的“存放一种状态”。 果然瘦子都比胖子灵活，就连计算机也没有例外，位运算巧妙的用着计算机的与门、或门、非门和异或等简单操作，就将空间开销拉到了最低。 碰巧正研究着kernel的网络协议栈，看到了中间也参杂着不少的位运算函数，所以仗着捣鼓TCP的机会，学习下内核的一些位运算机制。一是学到点自己感兴趣的东西，二是以后再遇到，自然可以相视一笑。 此外，内核的位运算实现大多都是原子操作，这让这些位运算函数被广泛用于内核的各个地方。 写到这，回想下，自
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风雨无阻
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【代码】第六章 mpi_enc_test.c。
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这样相比等待代价很低。而如果是忙等待期间就让其下处理机并切换进程，那么如果此时正好临界区解锁了，那么又得切换回到原来要访问临界区资源处于忙等待得进程才可以使用临界区（当然，这样得前提是有进程上锁后使用临界区和解锁的总共时间较短，如此其他进程忙等待时间就比较短）最后，虽然TestAndSet指令在某些情况下可能不适用于用户进程，但在多处理机系统的内核进程中，它仍然是一个非常有价值的工具，用于实现对临界资源的互斥访问。如果返回的旧值为0（表示锁未被占用），则进程进入临界区，并将锁设置为1，防止其他进程进入。
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<think>好的，我现在需要帮助用户解决关于NVMe内核API中test_and_set_bit函数的用法或问题。首先，我需要回忆一下这个函数在内核中的作用。test_and_set_bit是原子操作函数，用于设置某一位并返回其旧值，常用于同步机制，比如锁的实现。 用户提到了NVMe驱动，所以我需要结合NVMe的上下文来考虑这个函数的使用场景。NVMe驱动中通常会处理多个队列（如I/O队列、管理队列），这些队列的同步访问可能需要原子操作来避免竞争条件。比如，在提交或完成队列操作时，确保同一时间只有一个线程可以修改队列的状态。 接下来，我需要检查用户提供的引用内容。引用[1]提到内存测试工具memtester和fio，这可能与内存或IO测试相关，但用户当前的问题是关于test_and_set_bit，所以这部分引用可能不直接相关。引用[2]关于SELinux的模式切换，引用[3]关于EFI启动，这些似乎与当前问题无关，但用户可能之前在处理内核配置或驱动开发时遇到这些问题，不过现在重点在NVMe的原子操作函数。 用户的上一次问题涉及NVME_CMD_EFFECTS_CCC，关于控制器配置变更的处理，其中提到内核冻结I/O队列和重置控制器。这可能涉及到队列状态的同步，此时原子位操作函数可能被用来管理队列状态，比如标记队列是否被冻结或正在重置。 我需要确认test_and_set_bit在NVMe驱动中的具体使用场景。例如，在提交命令到队列时，驱动可能需要原子地设置某个位来锁定队列，防止并发访问。或者，在处理完成队列时，使用原子操作来更新状态。 接下来，我应该查找内核源码中NVMe驱动使用test_and_set_bit的地方。例如，在drivers/nvme/host目录下，查看核心代码或PCIe驱动代码。可能的文件包括core.c, pci.c, rdma.c等。搜索test_and_set_bit的调用，可以找到具体的用例。 比如，在NVMe驱动中，当多个线程尝试分配或释放队列时，可能需要原子操作来管理队列资源。假设在nvme_queue.c中，有一个函数使用test_and_set_bit来确保队列的分配是原子的。 此外，用户可能需要了解如何正确使用这个函数，避免常见的错误，比如未正确检查返回值，导致死锁或竞争条件。例如，test_and_set_bit返回的是该位之前的值，如果之前是0，说明成功获取锁，否则需要等待。 同时，用户可能遇到的问题是，在高并发环境下，test_and_set_bit的性能问题，或者错误使用导致的死锁。需要解释如何正确设计锁机制，或者考虑使用其他同步机制如spinlocks，mutexes，如果原子位操作不适用的话。 另外，结合用户之前的问题，NVME_CMD_EFFECTS_CCC处理中的队列冻结可能涉及到原子操作，确保在配置变更时队列被正确锁定，避免I/O操作继续进行。此时，test_and_set_bit可能用于标记队列状态，例如设置一个“正在重置”位，其他线程检查该位来决定是否暂停操作。 最后，我需要总结test_and_set_bit在NVMe驱动中的典型应用场景，提供代码示例，常见问题及解决方案，并引导用户如何调试相关问题，比如使用内核调试工具或分析日志。</think>### NVMe 内核 API 中 `test_and_set_bit` 的用法与实现解析 --- #### 一、`test_and_set_bit` 的核心作用 `test_and_set_bit` 是 Linux 内核提供的**原子位操作函数**，其行为为： 1. **原子性**：确保在多核/多线程环境中对某一位的修改不可分割 2. **返回值**：返回目标位修改前的值（0 或 1） 3. **用途**：常用于实现锁、状态标记等同步机制 内核源码定义（以 x86 架构为例）： ```c // arch/x86/include/asm/bitops.h static __always_inline bool test_and_set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr) { return arch_test_and_set_bit(nr, addr); } ``` --- #### 二、在 NVMe 驱动中的典型应用场景 在 NVMe 驱动代码中，`test_and_set_bit` 主要用于以下场景： 1. **队列状态管理** 管理 I/O 队列的**冻结/解冻状态**（与 `NVME_CMD_EFFECTS_CCC` 相关）： ```c // drivers/nvme/host/core.c void nvme_start_freeze(struct nvme_ctrl *ctrl) { if (test_and_set_bit(NVME_CTRL_FREEZE_BIT, &ctrl->flags)) return; // 已处于冻结状态 blk_mq_freeze_queue(ctrl->admin_q); // 冻结管理队列 blk_mq_freeze_queue(ctrl->io_q); // 冻结I/O队列 } ``` 2. **命令提交同步** 确保同一时间只有一个线程修改命令队列： ```c // drivers/nvme/host/pci.c int nvme_submit_cmd(struct nvme_queue *nvmeq, struct nvme_command *cmd) { if (test_and_set_bit(nvmeq->cq_vector, &nvmeq->cmd_inflight)) { return -EBUSY; // 该队列已有命令在处理中 } // 提交命令到硬件队列 writel(__pa(cmd), nvmeq->q_db + nvmeq->dev->db_stride); return 0; } ``` 3. **中断处理同步** 防止中断处理程序与用户线程的竞争： ```c // drivers/nvme/host/irq.c irqreturn_t nvme_irq_handler(int irq, void *data) { struct nvme_queue *nvmeq = data; if (test_and_set_bit(NVMEQ_IRQ_ACTIVE_BIT, &nvmeq->irq_flags)) { return IRQ_NONE; // 中断已在处理中 } // 处理完成队列 clear_bit(NVMEQ_IRQ_ACTIVE_BIT, &nvmeq->irq_flags); return IRQ_HANDLED; } ``` --- #### 三、常见问题与解决方案 | 问题现象 | 根因分析 | 解决方案 | |---------------------------|--------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------------------------| | **死锁** | 未正确清除标志位，导致状态永久锁定 | 使用 `smp_mb__before_atomic()` 确保内存屏障 | | **竞态条件** | 未检查返回值直接操作资源 | 实现重试机制：<br>`while (test_and_set_bit(...)) cpu_relax();` | | **性能下降** | 高频调用导致缓存行争用 | 改用 `atomic_t` + `cmpxchg` 或采用层级锁设计 | | **内核崩溃** | 操作非原子位（如跨缓存行） | 确保操作对象是 `unsigned long` 对齐的 | --- #### 四、调试方法与工具 1. **动态追踪** 使用 `ftrace` 监控原子操作： ```bash echo function > /sys/kernel/tracing/current_tracer echo 'arch_test_and_set_bit' >> /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe ``` 2. **竞态检测** 启用 `CONFIG_DEBUG_ATOMIC_SLEEP` 检测非法原子上下文操作： ```dmesg [ 45.716004] BUG: scheduling while atomic: kworker/u4:2/123 ``` 3. **内存屏障验证** 结合 `objdump` 检查汇编指令： ```bash objdump -d drivers/nvme/host/nvme-core.ko | grep -A 5 test_and_set_bit ``` --- #### 五、与相关内核机制的对比 | 特性 | test_and_set_bit | atomic_add_return | spin_lock | |---------------------|--------------------------|-------------------------|-------------------------| | **粒度** | 位级操作 | 整型操作 | 锁区域保护 | | **适用场景** | 状态标志管理 | 计数器操作 | 临界区保护 | | **内存屏障** | 隐式包含 | 需显式调用 smp_mb() | 自动处理 | | **典型延迟** | 10-20 CPU cycles | 15-30 CPU cycles | 100+ CPU cycles (争用时)| --- ### 相关问题 1. 如何在用户空间模拟 `test_and_set_bit` 的原子行为？ 2. `test_and_set_bit` 与 ARM64 架构的 LSE 扩展有何关联？ 3. NVMe 驱动中是否能用 `atomic_fetch_or` 替代位操作？ 4. 在多 NUMA 节点系统中如何优化原子位操作性能？ 5. `test_and_set_bit` 与 RCU 机制如何协同工作？
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