Linux中__set_bit函数分析

最新推荐文章于 2025-06-13 16:47:29 发布

嵌入式攻城狮小白

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分类专栏： Linux内核

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__set_bit函数用于在内存中设置指定位。不同于set_bit，它不保证原子性，可能因并发调用导致只有一个操作成功。该函数通过计算mask并应用到目标地址对应的字长上实现位设置。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >


/**
 * __set_bit - 在内存中设置一位
 * @nr: 要设置的那一位
 * @addr: 开始计数的地址
 *
 * 与set_bit（）不同，此函数是非原子的，可以重新排序。如果同时调用同一个内存区域，则可能只有一个操作成功。
 */
static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
{
	unsigned long mask = BIT_MASK(nr);
	unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + BIT_WORD(nr);

	*p  |= mask;
}

#define BIT_MASK(nr)		(1UL << ((nr) % BITS_PER_LONG))

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先看如下代码：如果分析代码时嫌麻烦。可以直接运行调试，查看结果是否符合预期结果。如果符合预期结果，就没有必要查看过程。从函数名猜测该宏定义为给某个比特位置位。然后调试，编写测试代码，将2位置位。调试时查看值是否正确。如下，给第二位置位时，二进制表示为：100, 转换成10机制为4. 猜想正确。 /** * setbit宏定义解析实验 */ static char *inode_map; #define CHAR_BIT __CHAR_BIT__ //获得一个字符对象的比特的

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set_bit函数

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<think>我们正在讨论Linux内核中的位操作函数，特别是set_bit函数。根据引用内容，我们可以总结如下： 1. set_bit函数用于设置一个特定位（设置为1）。 2. 它有两种变体：原子操作版本（set_bit）和非原子操作版本（__set_bit）。 3. 这些函数在设备驱动程序中很常见，特别是在输入设备（如触摸屏）的初始化中（如引用[2]所示）。下面我将详细解释set_bit函数的作用、实现细节以及使用方法。 ### 1. set_bit函数的作用在Linux内核中，set_bit函数用于将某个内存地址中的特定位（bit）设置为1。其函数原型如下： ```c void set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr); ``` - `nr`：要设置的位的序号（从0开始计数）。 - `addr`：指向要设置位的内存地址的指针。例如，如果我们想设置一个unsigned long类型变量`data`的第3位，可以这样调用： ```c set_bit(3, &data); ``` ### 2. 原子操作与非原子操作 Linux内核提供了两套位操作函数： - **原子操作**：`set_bit`、`clear_bit`、`test_and_set_bit`等，这些函数在执行位操作时是原子性的，不会被中断打断，适用于多核或多线程环境。 - **非原子操作**：`__set_bit`、`__clear_bit`等，这些函数不保证原子性，执行效率更高，但只能在确保不会发生并发访问的上下文中使用（例如，在中断被禁用的情况下）。 ### 3. 实现细节根据引用[4]，非原子版本的`__set_bit`实现如下： ```c static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr) { unsigned long mask = BIT_MASK(nr); unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + BIT_WORD(nr); *p |= mask; } ``` 其中： - `BIT_MASK(nr)`：创建一个掩码，该掩码只有第`nr`位为1，其余位为0。例如，`nr=3`时，掩码为`0x00000008`（32位系统）或`0x0000000000000008`（64位系统）。 - `BIT_WORD(nr)`：计算包含第`nr`位的字（word）在数组中的索引。在32位系统中，每个字为32位（4字节）；在64位系统中，每个字为64位（8字节）。因此，`BIT_WORD(nr)`等于`nr / BITS_PER_LONG`（其中`BITS_PER_LONG`为32或64）。 - `p`：指向包含目标位的字（word）的指针。 - `*p |= mask`：将目标位置1，其他位保持不变。原子操作版本`set_bit`的实现依赖于具体的体系结构，通常使用特殊的原子指令（如x86的`bts`指令）来实现。其核心是确保在设置位的过程中不会被其他处理器中断。 ### 4. 使用方法在设备驱动程序中，我们经常使用`set_bit`来设置设备支持的事件类型和属性。以输入设备（如触摸屏）为例（引用[2]）： ```c __set_bit(EV_KEY, input_dev->evbit); // 支持按键事件 __set_bit(EV_ABS, input_dev->evbit); // 支持绝对坐标事件（如触摸位置） __set_bit(BTN_TOUCH, input_dev->keybit); // 支持触摸按键 __set_bit(INPUT_PROP_DIRECT, input_dev->propbit); // 设备为直接输入设备（如触摸屏） ``` 这里使用了非原子版本`__set_bit`，因为在设备初始化过程中，通常不会有并发访问的问题（设备尚未注册到系统中）。 ### 5. 原子操作函数`test_and_set_bit` 引用[3]提到了另一个原子操作函数`test_and_set_bit`，该函数设置位并返回该位之前的值： ```c static inline int test_and_set_bit(int nr, unsigned long *addr) { unsigned long mask = BIT_MASK(nr); unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + BIT_WORD(nr); unsigned long old = *p; *p = old | mask; // 设置位 return (old & mask) != 0; // 返回之前的值 } ``` 这个函数常用于实现锁机制，例如： ```c while (test_and_set_bit(0, &lock) != 0) ; // 自旋等待 ``` ### 6. 总结 - `set_bit`：原子设置位。 - `__set_bit`：非原子设置位，效率更高，但需确保无并发访问。 - 在设备驱动中，常用这些函数来设置设备的能力位图（如事件类型、按键类型等）。 - 原子操作版本用于可能被并发访问的场景，非原子版本用于安全的上下文（如初始化）。 ### 相关问题 1. 在Linux内核中，`clear_bit`函数如何实现？ 2. 如何在驱动程序中检测某个位是否被设置？ 3. 原子位操作函数在多核系统中如何保证原子性？ 4. 在设备驱动中，除了`set_bit`，还有哪些常用的位操作函数？ [^1]: 非原子位清除函数`__clear_bit`的实现与`__set_bit`类似 [^2]: 输入设备驱动中设置事件类型的示例 [^3]: `test_and_set_bit`函数的实现与用途 [^4]: `__set_bit`函数的实现细节</think>### Linux 内核中 `set_bit` 函数详解 #### 1. **核心作用** `set_bit` 函数用于**原子性地设置内存中特定位的值（置为 1）**，其函数原型为： ```c void set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr); ``` - **`nr`**: 目标位的序号（从 0 开始计数） - **`addr`**: 目标内存地址的指针 - **原子性**: 在多核/多线程环境下确保操作不可分割（避免竞态条件） #### 2. **实现原理** 以 x86 架构为例（源码见 `arch/x86/include/asm/bitops.h`）： ```c static __always_inline void set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr) { asm volatile("lock; bts %1,%0" : "+m" (*addr) : "Ir" (nr) : "memory"); } ``` - **`lock`**: 指令前缀，锁定内存总线保证原子性 - **`bts`**: 汇编指令（Bit Test and Set），将 `nr` 位设为 1 并返回原值 - **内存屏障**: `"memory"` 约束防止编译器重排序 #### 3. **非原子版本 `__set_bit`** 用于无需原子性的场景（如初始化），实现更简单[^4]： ```c static inline void __set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr) { unsigned long mask = BIT_MASK(nr); unsigned long *p = addr + BIT_WORD(nr); *p |= mask; // 直接按位或操作 } ``` - `BIT_MASK(nr)`: 生成位掩码（如 `nr=3` → `0x00000008`） - `BIT_WORD(nr)`: 计算目标位所在长字偏移（`nr / 64`） #### 4. **典型应用场景** ##### (1) 输入设备驱动初始化（如触摸屏） ```c // 设置输入设备支持的事件类型 __set_bit(EV_KEY, input_dev->evbit); // 支持按键事件 __set_bit(EV_ABS, input_dev->evbit); // 支持绝对坐标事件 __set_bit(BTN_TOUCH, input_dev->keybit); // 支持触摸事件 __set_bit(INPUT_PROP_DIRECT, input_dev->propbit); // 直接输入设备[^2] ``` ##### (2) 锁实现 ```c // 使用 test_and_set_bit 实现自旋锁 void spin_lock(atomic_t *lock) { while (test_and_set_bit(0, lock)) // 原子性测试并置位 cpu_relax(); // 忙等待 } ``` #### 5. **原子性 vs 非原子性选择** | **函数** | **原子性** | **使用场景** | **性能影响** | |-------------------|------------|----------------------------------|-------------------| | `set_bit` | 是 | 多核共享数据、中断上下文 | 较高（锁总线） | | `__set_bit` | 否 | 单线程初始化、局部变量操作 | 极低 | | `test_and_set_bit`| 是 | 锁实现、状态标志检测 | 中等（返回原值） | #### 6. **关键衍生函数** - **`clear_bit`**: 原子性清除位（置 0） - **`test_bit`**: 检查位是否置 1 - **`test_and_set_bit`**: 原子性置位并返回原值（锁机制核心）[^3] ```c int old_value = test_and_set_bit(3, &flags); // 置位第3位并返回旧值 ``` ### 常见问题解答 1. **为什么需要 `__set_bit`？** 在单线程初始化阶段（如 `probe` 函数），无需原子性开销，直接位操作效率更高[^4]。 2. **如何安全修改多核共享的位图？** 必须使用 `set_bit/clear_bit` 系列函数，避免使用 `__set_bit`（可能引发数据竞争）。 3. **`test_and_set_bit` 的返回值意义？** 返回目标位操作前的值： - 返回 `1` → 该位原先已置 1 - 返回 `0` → 该位原先为 0 常用于实现自旋锁（返回 0 表示获取锁成功）[^3]。 4. **位操作中的 `volatile` 作用？** 禁止编译器优化内存访问，确保每次操作都直接读写内存（对硬件寄存器操作关键）。 ### 相关问题 1. `clear_bit` 和 `__clear_bit` 的实现有何区别？ 2. 如何在内核中安全地遍历位图？ 3. `test_and_set_bit` 在自旋锁中如何避免死锁？ 4. 在 ARM 架构下 `set_bit` 的实现有何不同？ [^1]: 非原子位清除函数 `__clear_bit` 的实现与 `__set_bit` 类似 [^2]: 输入设备驱动中设置事件类型的示例 [^3]: `test_and_set_bit` 函数的实现与用途 [^4]: `__set_bit` 函数的实现细节