关于Linux系统的 atomic_t 、 atomic64_t 和 atomic_long_t类型

这篇博客介绍了Linux内核中用于原子操作的atomic_t、atomic64_t和atomic_long_t类型。atomic_t是一个包含整数counter的结构体,而atomic64_t在64位系统中定义,用于长整型计数。atomic_long_t实际上等同于atomic_t。这些类型不支持直接转换为常规类型进行打印,避免了编译错误。

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实际上 atomic_t  和 atomic64_t 这两个类型 是linux 头文件("kernel/include/linux/types.h")里定义。

 

typedef unsigned long irq_hw_number_t;

typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

#ifdef CONFIG_64BIT
typedef struct {
    long counter;
} atomic64_t;
#endif
"kernel/include/linux/types.h"

 

它是一个结构体,所以不能直接在printf中转换为 unsigned int 等类型直接打印出来。编译器会报语法错误。

 

kernel/include/asm-generic/atomic-long.h:

       typedef atomic_t atomic_long_t;

atomic_long_t 实际上就是 atomic_t 类型。

 

<think>我们正在分析一段ARM64汇编代码,并关注原子操作部分。用户特别询问了`ATOMIC_LONG_INIT`在给定汇编代码中的必要性。让我们结合提供的引用代码来解答。 ### 回顾汇编代码中的原子操作部分 在汇编代码中,以下部分实现了原子自增: ```armasm 40: 91004262 add x2, x19, #0x10 ; x2 = x19 + 0x10 (指向目标内存地址) 44: f9800051 prfm pstl1strm, [x2] ; 预取内存到L1缓存(流模式) 48: c85f7c40 ldxr x0, [x2] ; 独占加载 4c: 91000400 add x0, x0, #0x1 ; 自增1 50: c8017c40 stxr w1, x0, [x2] ; 尝试独占存储 54: 35ffffa1 cbnz w1, 48 <flood_logger+0x48> ; 如果失败则重试 ``` 这段代码对内存地址`x19 + 0x10`处的一个64位值进行原子自增操作。 ### 关于`ATOMIC_LONG_INIT` `ATOMIC_LONG_INIT`是Linux内核中定义的一个宏,用于初始化原子长整型变量。根据引用[4]: > 原子类型定义如下:`typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;` 在64系统中,通常会有`atomic_long_t`类型,其初始化宏可能定义为: ```c #define ATOMIC_LONG_INIT(i) { (i) } ``` 或者更具体地: ```c #define ATOMIC_INIT(i) { (i) } ``` 它的作用是将原子变量初始化为一个特定的值(通常为0或指定的初始值)。 ### 必要性分析 在给定的汇编代码中,我们没有看到显式的初始化操作(如`ATOMIC_LONG_INIT`)。但是,原子变量的正确使用要求: 1. **初始化**:原子变量在使用前必须被初始化为一个已知值(通常为0)。否则,其初始值是不确定的,可能导致逻辑错误。 2. **原子操作的前提**:原子操作(如自增)假定目标内存位置已经被正确初始化为一个原子变量(即该内存位置的数据类型是`atomic_t`或`atomic_long_t`)。 在汇编代码中,我们观察到: - 地址`x19 + 0x10`处存储的是一个64位整数(通过`ldxr``stxr`操作64位寄存器`x0`)。 - 这段代码没有进行初始化,而是直接进行自增操作。 因此,我们可以推断: - **初始化必须在进入此函数前完成**。即调用此函数时,`x19 + 0x10`处必须已经是一个初始化的原子变量。 - 如果该位置没有被正确初始化(例如,初始值是一个随机值),那么自增操作虽然原子性得到保证,但逻辑上可能是错误的。 ### `ATOMIC_LONG_INIT`的作用 1. **设置初始值**:例如,`atomic_long_t counter = ATOMIC_LONG_INIT(0);`将计数器初始化为0。 2. **确保类型正确**:它定义了一个原子类型的变量,确保编译器不会进行与原子性冲突的优化(通过`volatile`限定符,见引用[4])。 3. **内存屏障隐含要求**:原子变量的初始化可能需要考虑内存可见性,但初始化本身通常在单线程环境下完成(如模块加载或结构体创建时),因此可能不需要显式的内存屏障。 ### 在给定代码中的必要性 - **严格必要**:如果这段汇编代码操作的是一个原子变量,那么该变量在定义时必须用`ATOMIC_LONG_INIT`(或类似的宏)初始化。否则: - 初始值可能不正确(例如非0开始计数)。 - 编译器可能错误优化,因为缺少`volatile`声明。 - **代码中未显式出现的原因**:汇编代码是原子操作的底层实现,而初始化由高级语言(C)在变量定义时完成。因此,在汇编层面看不到初始化宏,但它的效果(初始值写入)必须在操作前存在。 ### 总结 `ATOMIC_LONG_INIT`在原子操作中是必要的,因为它: 1. 确保原子变量被正确初始化到已知值。 2. 通过`volatile`限定符告诉编译器不要优化该变量的访问(确保每次访问都从内存中读取/写入)[^4]。 3. 在高级语言中定义原子变量的类型,使得后续的原子操作(如`atomic_inc()`)可以正确工作。 在给定的汇编代码中,虽然没有直接使用`ATOMIC_LONG_INIT`,但**它所操作的内存位置(`x19+0x10`)必须是一个已经初始化的原子变量**。这个初始化通常由调用者在高级代码中通过`ATOMIC_LONG_INIT`完成。 ### 相关问题 §§相关问题§§ 1. 在ARM64架构中,原子变量的初始化(`ATOMIC_LONG_INIT`)x86架构下的实现有何不同? 2. 如果未使用`ATOMIC_LONG_INIT`初始化原子变量,直接进行原子自增操作会导致什么后果? 3. Linux内核中,原子操作的内存屏障(memory barrier)是如何在汇编层面实现的?</think>### `ATOMIC_LONG_INIT`的作用及其在原子操作中的必要性分析 #### 1. **`ATOMIC_LONG_INIT`的核心作用** `ATOMIC_LONG_INIT`是Linux内核中用于**原子变量的初始化宏**,其核心功能包括: - **初始化原子计数器**:将原子变量的值设置为指定初始值(通常为0)[^4] - **确保内存可见性**:通过`volatile`关键字强制编译器直接从内存读写,避免寄存器缓存(如引用[3]所述)[^3] - **类型安全定义**:明确标识该变量为原子类型(而非普通整型),如引用[4]定义的`atomic_t`结构: ```c typedef struct { volatile int counter; } atomic_t; ``` 在给定汇编代码中,虽然未直接出现`ATOMIC_LONG_INIT`,但其初始化的原子变量正是通过`ldxr/stxr`指令操作的目标(`x19+0x10`地址处)。 #### 2. **在原子操作中的必要性** ##### (1) **内存可见性保证** - 汇编中的原子操作(`ldxr/stxr`)依赖**内存地址的独占访问**,但前提是目标地址必须是原子类型 - `volatile`修饰符确保每次访问都直接操作内存(而非寄存器缓存),防止编译器优化导致数据不一致[^3] - 数学表示:设原子变量地址为$addr$,则`ldxr`操作等价于: $$ val \leftarrow \text{Memory}[addr] \quad (\text{直接内存访问}) $$ ##### (2) **原子性操作的前提** - 如引用[2]指出,单独的读写操作在x86是原子的,但ARM64需要显式指令(如`ldxr/stxr`)[^2] - `ATOMIC_LONG_INIT`初始化的变量会**强制对齐**(通常为4/8字节对齐),避免跨缓存行访问(导致非原子性) ##### (3) **防止未初始化风险** - 若未初始化原子变量(如随机值),自增操作: ```armasm ldxr x0, [x2] ; 可能加载非法值 add x0, x0, #1 ; 导致未定义行为 ``` - 引用[1]中的`atomic_set()`正是解决此问题: ```c static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i) { v->counter = i; // 显式设置初始值 } ``` #### 3. **汇编代码中的对应关系** 在给定汇编中: ```armasm ldxr x0, [x2] ; [x2] = x19+0x10 即原子变量地址 add x0, x0, #1 ; 原子自增 stxr w1, x0, [x2] ``` - **`x19+0x10`处的内存必须通过`ATOMIC_LONG_INIT`初始化**,以确保: 1. 内存布局符合`atomic_t`结构(`volatile int counter`) 2. 初始值已知(通常为0) 3. 内存对齐满足原子指令要求 #### 4. **必要性总结** | 场景 | 无初始化 | 有`ATOMIC_LONG_INIT` | |--------------------|----------------------|---------------------------| | **初始值** | 随机值(可能非0) | 明确初始值(如0) | | **内存访问优化** | 编译器可能缓存到寄存器 | `volatile`强制内存访问[^3] | | **原子操作成功率** | `stxr`可能频繁失败 | 独占访问更稳定 | | **多核一致性** | 可能破坏缓存一致性协议 | 符合MESI协议要求 | ### 相关问题
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