gcc内建原子操作总结

gcc从4.1.2开始提供__sync_*系列的内建函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作。
type是1,2,4或8字节长度的整形。后面的可扩展参数(...)用来指出哪些变量需要memory barrier,因为目前gcc实现的是full barrier（类似于linux kernel 中的mb(),表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排序到这个操作之后）,所以可以略掉这个参数。在32位系统使用的话，可能需要加编译选项-march=pentium4或-march=i686或-march=i586或-march=i486等选项enable  __sync*的支持。另外32位系统可能不支持type=8。

第一组，返回更新前的值(类比i++)

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr += value; return tmp; }

 

type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr -= value; return tmp; }

 

type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr |= value; return tmp; }

type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr &= value; return tmp; }

type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr ^= value; return tmp; }

type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ tmp = *ptr; *ptr = ~tmp & value; return tmp; }

第二组，返回更新后的值(类比++i)

type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
等价于原子版本的

{ *ptr += value; return *ptr; }

 

type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
等价于原子版本的

{ *ptr -= value; return *ptr; }

type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ *ptr |= value; return *ptr; }

 

type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ *ptr &= value; return *ptr; }

 

type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ *ptr ^= value; return *ptr; }

 

type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

等价于原子版本的

{ *ptr = ~*ptr & value; return *ptr; } 

 

第三组 compare and swap

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在*ptr == oldval并将newval写入*ptr的情况下返回true.
第二个函数返回操作之前的*ptr值。

 

第四组 memory barrier

memory barrier有几种类型：
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后(linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : acquire barrier、release barrier的合集(linux kernel中的mb())。

 

__sync_synchronize (...)

一个full barrier.

cpu可能会对我们的指令进行排序，以乱序执行来提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望得到的结果，举一个例子，比如我们有一个硬件设备，它有4个寄存器，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令（比如READ），两个寄存器存的是参数（比如是地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    write1(dev.register_control,GO);

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    __sync_synchronize();
    write1(dev.register_control,GO);

 

__sync_synchronize 另一个应用场景是用以singleton实现。

一般的singleton只实现了double check + lock，但是这样的实现不是完美的，可能返回一个还没有来得及调用构造函数的对象。

有缺陷的实现：

 

比较好的实现：

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)

一个acquire barrier。将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)

一个release barrier。将*ptr置0

 

应用：用__sync_lock_test_and_set, __sync_lock_release实现spinlock（自旋锁）。

 

typedef volatile unsigned int spinlock_t;

 

inline void Lock(spinlock_t* lock)

{

  // 为了防止循环次数过多或者死循环，可以对while循环加一个次数限制

   while (__sync_lock_test_and_set(lock, 1))

  {

      // 留空或者加上sleep之类的。

     }

}

inline void Unlock(spinlock_t* lock)

{

   __sync_lock_release(lock);

}