linux中关于原子操作

最新推荐文章于 2025-11-06 21:31:12 发布

转载最新推荐文章于 2025-11-06 21:31:12 发布 · 1.5w 阅读

本文深入探讨了Linux系统中原子操作的实现原理，特别是在ARM架构下的具体实现方式。文章详细介绍了整型原子操作和位原子操作的函数接口及其应用场景，并通过具体的代码示例展示了如何使用原子操作来解决设备并发访问的问题。

AI助手已提取文章相关产品：

原子操作:就是在执行某一操作时不被打断。

linux原子操作问题来源于中断、进程的抢占以及多核smp系统中程序的并发执行。

对于临界区的操作可以加锁来保证原子性，对于全局变量或静态变量操作则需要依赖于硬件平台的原子变量操作。

因此原子操作有两类：一类是各种临界区的锁，一类是操作原子变量的函数。

对于arm来说，单条汇编指令都是原子的，多核smp也是，因为有总线仲裁所以cpu可以单独占用总线直到指令结束，多核系统中的原子操作通常使用内存栅障（memory barrier）来实现，即一个CPU核在执行原子操作时，其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作，这样才能避免数据竞争问题。但是对于load update store这个过程可能被中断、抢占，所以arm指令集有增加了ldrex/strex这样的实现load update store的原子指令。

但是linux种对于c/c++程序（一条c编译成多条汇编），由于上述提到的原因不能保证原子性，因此linux提供了一套函数来操作全局变量或静态变量。

一.整型原子操作

定义于#include<asm/atomic.h>

分为定义，获取，加减，测试，返回。

void atomic_set(atomic_t *v,int i); //设置原子变量v的值为i

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v,并初始化为0;

atomic_read(atomic_t* v); //返回原子变量v的值;

void atomic_add(int i, atomic_t* v); //原子变量v增加i;

void atomic_sub(int i, atomic_t* v);

void atomic_inc(atomic_t* v); //原子变量增加1;

void atomic_dec(atomic_t* v);

int atomic_inc_and_test(atomic_t* v); //先自增1,然后测试其值是否为0,若为0,则返回true,否则返回false;

int atomic_dec_and_test(atomic_t* v);

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t* v); //先减i,然后测试其值是否为0,若为0,则返回true,否则返回false;

注意：只有自加，没有加操作

int atomic_add_return(int i, atomic_t* v); //v的值加i后返回新的值;

int atomic_sub_return(int i, atomic_t* v);

int atomic_inc_return(atomic_t* v); //v的值自增1后返回新的值;

int atomic_dec_return(atomic_t* v);

二.位原子操作

定义于#include<asm/bitops.h>

分为设置，清除，改变，测试

void set_bit(int nr, volatile void* addr); //设置地址addr的第nr位,所谓设置位,就是把位写为1;

void clear_bit(int nr, volatile void* addr); //清除地址addr的第nr位,所谓清除位,就是把位写为0;

void change_bit(int nr, volatile void* addr); //把地址addr的第nr位反转;

int test_bit(int nr, volatile void* addr); //返回地址addr的第nr位;

int test_and_set_bit(int nr, volatile void* addr); //测试并设置位;若addr的第nr位非0,则返回true; 若addr的第nr位为0,则返回false;

int test_and_clear_bit(int nr, volatile void* addr); //测试并清除位;

int test_and_change_bit(int nr, volatile void* addr); //测试并反转位;

上述操作等同于先执行test_bit(nr,voidaddr)然后在执行xxx_bit(nr,voidaddr)

举个简单例子：

为了实现设备只能被一个进程打开，从而避免竞态的出现

static atomic_t scull_available = ATOMIC_INIT(1); //init atomic

在scull_open 函数和scull_close函数中：

int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

struct scull_dev *dev; // device information

dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);

filp->private_data = dev; // for other methods

if(!atomic_dec_and_test(&scull_available)){

atomic_inc(&scull_available);

return -EBUSY;

}

return 0; // success

}

int scull_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

atomic_inc(&scull_available);

return 0;

}

假设原子变量的底层实现是由一个汇编指令实现的，这个原子性必然有保障。但是如果原子变量的实现是由多条指令组合而成的，那么对于SMP和中断的介入会不会有什么影响呢？我在看ARM的原子变量操作实现的时候，发现其是由多条汇编指令（ldrex/strex）实现的。在参考了别的书籍和资料后，发现大部分书中对这两条指令的描诉都是说他们是支持在SMP系统中实现多核共享内存的互斥访问。但在UP系统中使用，如果ldrex/strex和之间发生了中断，并在中断中也用ldrex/strex操作了同一个原子变量会不会有问题呢？就这个问题，我认真看了一下内核的ARM原子变量源码和ARM官方对于ldrex/strex的功能解释，总结如下：

一、ARM构架的原子变量实现结构

对于ARM构架的原子变量实现源码位于：arch/arm/include/asm/atomic.h

其主要的实现代码分为ARMv6以上（含v6）构架的实现和ARMv6版本以下的实现。

该文件的主要结构如下：

#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
......(通过ldrex/strex指令的汇编实现)
#else /* ARM_ARCH_6 */
#ifdef CONFIG_SMP
#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs
#endif
......(通过关闭CPU中断的C语言实现)
#endif /* __LINUX_ARM_ARCH__ */
......
#ifndef CONFIG_GENERIC_ATOMIC64
......(通过ldrexd/strexd指令的汇编实现的64bit原子变量的访问)
#else /* !CONFIG_GENERIC_ATOMIC64 */
#include <asm-generic/atomic64.h>
#endif
#include <asm-generic/atomic-long.h>

这样的安排是依据ARM核心指令集版本的实现来做的：

（1）在ARMv6以上（含v6）构架有了多核的CPU，为了在多核之间同步数据和控制并发，ARM在内存访问上增加了独占监测（Exclusive monitors）机制（一种简单的状态机），并增加了相关的ldrex/strex指令。请先阅读以下参考资料（关键在于理解local monitor和Global monitor）：

1.2.2. Exclusive monitors

4.2.12. LDREX 和 STREX