kernel 源码中的 ACCESS_ONCE()

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#kernel #源码 #宏 #volatile #c

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本文详细解析了ACCESS_ONCE宏的作用及其实现原理，说明了如何利用volatile关键字防止编译器优化，确保多线程环境中对共享变量的正确访问。

ACCESS_ONCE()也是一个宏，宏定义如下：

#define ACCESS_ONCE(x) (*(volatile typeof(x) *)&(x))

它还有一堆注释，不仔细看的话会很令人困惑，先放在这里，下面再解释：

/*
* Prevent the compiler from merging or refetching accesses. The compiler
* is also forbidden from reordering successive instances of ACCESS_ONCE(),
* but only when the compiler is aware of some particular ordering. One way
* to make the compiler aware of ordering is to put the two invocations of
* ACCESS_ONCE() in different C statements.
*
* This macro does absolutely -nothing- to prevent the CPU from reordering,
* merging, or refetching absolutely anything at any time. Its main intended
* use is to mediate communication between process-level code and irq/NMI
* handlers, all running on the same CPU.
*/

这个宏看起来很奇怪，先取地址，再类型转换，最后又还原成数据。这个宏用来干什么呢？简单点解释就是防止编译器优化代码，它的关键就在于volatile关键字，请看下面的代码段（arch/x86/include/asm/spinlock.h）：

do {
    if (ACCESS_ONCE(lock->tickets.head) == inc.tail)
        goto out;
    cpu_relax();
} while (--count);

如果不使用ACCESS_ONCE()宏，代码就会变成：

do {
    if (lock->tickets.head == inc.tail)
        goto out;
    cpu_relax();
} while (--count);

由于编译器进行编译时并不会考虑多线程的环境，因此认为在这个循环中lock->tickets.head的值不会发生改变，也就没必要没一次循环都访问一次，因此可能会优化成这个样子：

head = lock->tickets.head;
do {
    if (head == inc.tail)
        goto out;
    cpu_relax();
} while (--count);

这样子就可能会出现问题，因为在多线程环境下，lock->tickets.head的值是有可能被其他线程修改的，因此每次循环都访问一次是有必要的。volatile关键字告诉编译器不要做出上面那样的优化，而要每一次循环都访问一次内存。
Linus在一封邮件中认为这样做还能防止另一种形式的优化，将：

    if (a > MEMORY) {
        do1;
        do2;
        do3;
    } else {
        do2;
    }

优化成：

    if (a > MEMORY)
        do1;
    do2;
    if (a > MEMORY)
        do3;

如果do2部分对a做了修改，就有可能出现问题。但是我认为Linus多虑了，我觉得编译器的设计者和维护者并不会进行如此激进的优化，这种优化很明显在单线程环境下也是可能出现问题的。
至于网上说的volatile关键字是为了防止处理器从缓存中得到错误的数据就大错特错了，任何设计正确的计算机系统都应该能确认cache中是有效数据还是无效数据。
再引用上http://lwn.net/Articles/233479/的一段话：

Your editor’s copy of The C Programming Language, Second Edition (copyright 1988, still known as “the new C book”) has the following to say about the volatile keyword:

The purpose of volatile is to force an implementation to suppress optimization that could otherwise occur. For example, for a machine with memory-mapped input/output, a pointer to a device register might be declared as a pointer to volatile, in order to prevent the compiler from removing apparently redundant references through the pointer.

最后回到开头的注释，上面已经讲得比较多了，注释中的第一段话说到：