Linux内核之内核同步（二）——原子操作

原子操作

原子操作可以保证指令以原子的方式被执行，执行过程不会被打断。Linux内核提供了一个专门的atomic_t类型（一个原子访问计数器），其定义如下：

typedef struct{
	int counter;
}atomic_t;

atomic_t类型定义在/include/linux/types.h中， 这样定义的原因是可以让GCC在编译的时候加以更加严格的类型检查，防止原子类型变量被误操作。随着64位体系结构的普及，64位原子操作被定义为atomic64_t。

typedef struct{
	long counter;
}atomic64_t;

对于atomic_t类型的变量，linux内核提供了一些专门的函数和宏来进行原子操作，如下表：

原子整数操作	说明
ATOMIC_INIT(int i)	声明atomic_t变量，并初始化为i
atomic_read(v)	原子操作读取整数变量v，返回*v
atomic_set(v,i)	原子操作把*v置成i
atomic_add(i,v)	原子操作*v加i
atomic_add_return(i,v)	原子操作v加i，返回v
atomic_add_negative(i,v)	原子操作*v加i，为负返1，否则返0
atomic_sub(i,v)	原子操作*v减i
atomic_sub_return(i,v)	原子操作v减i，返回v
atomic_sub_and_test(i,v)	原子操作*v减i，为0返1，否则返0
atomic_inc(v)	原子操作*v自加1
atomic_inc_and_test(v)	原子操作*v自加1，为0返1，为1返0
atomic_dec(v)	原子操作*v自减1
atomic_dec_and_test(v)	原子操作*v自减1，为0返1，为1返0

原子操作用法举例

\\定义原子变量
atomic_t u;//定义原子变量u
atomic_t v= ATIMIC_INIT(0);//定义原子变量v，并初始化为0
\\操作原子变量
atomic_set(&v,10);\\原子操作v=10
atomic_add(5,&v);\\原子操作v=v+5=15
atomic_dec(2,&v);\\原子操作v=v-2=13
atomic_sub_and_text(13,&v);\\原子操作v=v-13=0，并返回1
printk("v=%d\n",atomic_read(&v));\\会打印出v的值，即打印v=0

在内核实现计数器时，用锁机制来保护显得有些笨拙，而轻量级地保护内核计数器就可以使用原子操作。
Linux内核除了原子整数操作外，也提供了一组针对位原子操作的函数，如下表所示，它被定义在/include/asm-generic/bitops/atomic.h中，它常被应用于内存管理、设备驱动。

原子位操作	说明
set_bit(nr,addr)	原子操作设置地址为addr的第nr位
clear_bit(nr,addr)	原子操作清除地址为addr的第nr位
change_bit(nr,addr)	原子操作，取反地址为addr的第nr位
test_and_set_bit(nr,addr)	原子操作设置地址为addr的第nr位，并返回原先的值
test_and_clean_bit(nr,addr)	原子操作清除地址为addr的第nr位，并返回原先的值
test_and_clean_bit(nr,addr)	原子操作取反地址为addr的第nr位，并返回原先的值
test_bit(nr,addr)	原子操作，返回地址为addr的第nr位
find_first_zero_bit(addr,size)	addr为内存的起始地址，size为要查找的最大长度，返回第一个为0的位号
find_next_zero_bit(addr,size,offset)	addr为内存的起始地址，size为要查找的最大长度，offset
为开始搜索的起始位号，返回第一个为0的位号

注：

• clear_bit(nr,addr)是原子操作，但不具备加锁功能，若要用于加锁目的，应当调用smp_mb__before_clear_bit 或smp_mb__after_clear_bit函数，以确保任何改变在其他的处理器上是可见的。
• test_bit(nr,addr)定义如下

#define test_bit(nr, addr)			\
	(__builtin_constant_p((nr))		\
	? constant_test_bit((nr), (addr))	\
	: variable_test_bit((nr), (addr)))

根据nr是否为编译时常数来调用不同的函数

• 若编译时为常数，则调用constant_test_bit

static __always_inline int constant_test_bit(unsigned int nr, const volatile unsigned long *addr) 

• 若编译时为非常数，则调用variable_test_bit

static inline int variable_test_bit(int nr, volatile const unsigned long *addr)