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);
}