Linux内核原子操作实现原理几问几答

最新推荐文章于 2025-07-21 19:36:06 发布

liqb365

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文章标签： linux

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/liqb365/article/details/146531841

1.前言

因为项目的开发需要用到这一块的API，结果发现自己对这块内容的理解已经很模糊了。抓起书重新理解了一下。了解这一块内容的话完全没有必要阅读本文。

2.问题

2.1为什么不用锁？

因为锁太“重”了。本质上原子操作不过是对一小块内存区域的操作，或读或写，或加或减。用锁当然可以实现独占原子性的操作，但是要么引发调度，要么自旋空转，对于简单的内存操作没有必要。现代CPU架构可以从硬件指令的层面实现原子操作，是一种更合适的做法。

本文基于v.5.0.0版本进行讨论。

2.2 原子操作是怎么实现的？

Linux内核中如果搜索ATOMIC_OP宏定义，可以看到arch目录下每个架构都有自己的实现。include目录下还有个共用的实现。

公共的实现在include/asm-generic/atomic.h中。

可以看到cmpxchg操作是实现原子操作的核心机制。

cmpxchg在各个平台都有各自的实现，且其实现的方式都以原子性指令实现，比如x86架构的cmpxchg指令，ARM64架构的ldxr和stxr指令。所以cmpxchg的通用性和原子性使得其称为ATOMIC_OP实现的基础。

除了上面的公共实现，各个架构对ATOMIC_OP有各自的实现，比如ARM64架构上，

arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h提供了ARM64架构专属版本。

可以看到实现的的基础还是ldxr和stxr指令。

各个架构实现的版本理论上可以提供更好的性能。

2.3 ARM64架构的LDXR和STXR指令如何具有魔力？

手边的ARMV8.x手册找不到了，这里就不截图了。主要是ldxr可以标记访问内存的独占访问标记，stxr可以解除这个独占访问标记。这两条指令中间的操作就具有了内存访问的原子性。

2.4 RISC-V架构有类似的指令吗？

是的，相关的指令定义在A拓展指令集中。

2.5 比较交换操作有哪些实现方式？

首先，armv8.0架构上可以调用casx指令，但是个人理解应该是伪指令的形式实现的，本质上还是利用ldxr和stxr实现的。armv8.1架构提供了实质的casx指令。

总结一下：

指令	隐含内存屏障操作	解释
casa	Load-Acquire	防止后续指令重排在当前指令前面。
casl	Store-Release	防止前面指令重排在当前指令后面。
cas	/	/
casal	Load-Acquire + Store-Release	防止后续指令重排在当前指令前面，同时防止前面指令重排在当前指令后面。

以cmpxchg的实现来讲，也有下面几个方式：

宏	隐含内存屏障操作	解释
cmpxchg_acruire	Load-Acquire	防止后续指令重排在当前指令前面。
cmpxchg_release	Store-Release	防止前面指令重排在当前指令后面。
cmpxchg_relaxed	/	/
cmpxchg	Load-Acquire + Store-Release	防止后续指令重排在当前指令前面，同时防止前面指令重排在当前指令后面。