gcc内建原子操作总结

本文总结了GCC从4.1.2版本开始提供的__sync_*系列内建函数,用于实现原子操作,包括加减、逻辑运算,并介绍了compare and swap、memory barrier的功能。文章通过示例代码展示了各操作的作用,强调了在多线程编程中防止指令重排序的重要性,并提到了在实现Singleton模式和自旋锁时的应用。

gcc4.1.2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。
type1,2,48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-march=i686-march=i586-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 barrierrelease 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*ptr0

 

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);

}

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