第一章 同步與互斥②

1.3 原子操作的實(shí)現(xiàn)原理與使用

在上面的第 2個(gè)失敗例子里，問題在于對 valid變量的修改被打斷了。如果對 valid變量的操作不能被打斷，就解決這個(gè)問題了。
這可以使用原子操作，所謂“原子操作”就是這個(gè)操作不會(huì)被打斷。Linux有 2種原子操作：原子變量、原子位。

1.3.1 原子變量的內(nèi)核操作函數(shù)

原子變量的操作函數(shù)在 Linux內(nèi)核文件 arch\arm\include\asm\atomic.h中。
原子變量類型如下，實(shí)際上就是一個(gè)結(jié)構(gòu)體(內(nèi)核文件 include/linux/types.h)：

特殊的地方在于它的操作函數(shù)，如下(下表中 v都是 atomic_t指針)：

1.3.2 原子變量的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)

注意：SMP就是 Symmetric Multi-Processors，對稱多處理器；UP即 Uni-Processor，系統(tǒng)只有一個(gè)單核 CPU。
這些函數(shù)都是在 Linux內(nèi)核文件 arch\arm\include\asm\atomic.h中。
atomic_read，atomic_set這些操作都只需要一條匯編指令，所以它們本身就是不可打斷的。
問題在于 atomic_inc這類操作，要讀出、修改、寫回。
以 atomic_inc為例，在 atomic.h文件中，如下定義：

#define atomic_inc(v)  atomic_add(1, v) 

atomic_add又是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？用下面這個(gè)宏：

ATOMIC_OPS(add, +=, add) 

把這個(gè)宏展開：

#define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op)   \ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)     \ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op)   \ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op) 

從上面的宏可以知道，一個(gè) ATOMIC_OPS定義了 3個(gè)函數(shù)。比如“ATOMIC_OPS(add, +=, add)”就定義了這 3個(gè)函數(shù)：

atomic_add 
atomic_add_return 
atomic_atomic_fetch_add 或 atomic_fetch_add_relaxed 

我們以 ATOMIC_OP(add, +=, add)為例，看它是如何實(shí)現(xiàn) atomic_add函數(shù)的，對于 UP系統(tǒng)、SMP系統(tǒng)，分別有不同的實(shí)現(xiàn)方法。

1.3.2.1 ATOMIC_OP在 UP系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

對于 ARMv6以下的 CPU系統(tǒng)，不支持 SMP。原子變量的操作簡單粗暴：關(guān)中斷，中斷都關(guān)了，誰能來打斷我？代碼如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

1.3.2.2 ATOMIC_OP在 SMP系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

對于 ARMv6及以上的 CPU，有一些特殊的匯編指令來實(shí)現(xiàn)原子操作，不再需要關(guān)中斷，代碼如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

在 ARMv6及以上的架構(gòu)中，有 ldrex、strex指令，ex表示 exclude，意為獨(dú)占地。這 2條指令要配合使用，舉例如下：
① 讀出：ldrex r0, [r1]
讀取 r1所指內(nèi)存的數(shù)據(jù)，存入 r0；并且標(biāo)記r1所指內(nèi)存為“獨(dú)占訪問”。
如果有其他程序再次執(zhí)行“l(fā)drex r0, [r1]”，一樣會(huì)成功，一樣會(huì)標(biāo)記 r1所指內(nèi)存為“獨(dú)占訪問”。 ② 修改 r0的值
③ 寫入：strex r2, r0, [r1]：
如果 r1的“獨(dú)占訪問”標(biāo)記還存在，則把 r0的新值寫入 r1所指內(nèi)存，并且清除“獨(dú)占訪問”的標(biāo)記，把 r2設(shè)為 0表示成功。
如果 r1的“獨(dú)占訪問”標(biāo)記不存在了，就不會(huì)更新內(nèi)存，并且把 r2設(shè)為 1表示失敗。
假設(shè)這樣的搶占場景：
① 程序 A在讀出、修改某個(gè)變量時(shí)，被程序 B搶占了；
② 程序 B先完成了操作，程序 B的 strex操作會(huì)清除“獨(dú)占訪問”的標(biāo)記；
③ 輪到程序 A執(zhí)行剩下的寫入操作時(shí)，它發(fā)現(xiàn)獨(dú)占訪問”標(biāo)記不存在了，于是取消寫入操作。 這就避免了這樣的事情發(fā)生：程序 A、B同時(shí)修改這個(gè)變量，并且都自認(rèn)為成功了。
舉報(bào)個(gè)例子，比如 atomic_dec，假設(shè)一開始變量值為 1，程序 A本想把值從 1變?yōu)?0；但是中途被程序B先把值從 1變成 0了；但是沒關(guān)系，程序 A里會(huì)再次讀出新值、修改、寫入，最終這個(gè)值被程序 A從 0改為-1。
在 ARMv6及以上的架構(gòu)中，原子操作不再需要關(guān)閉中斷，關(guān)中斷的花銷太大了。并且關(guān)中斷并不適合SMP多 CPU系統(tǒng)，你關(guān)了 CPU0的中斷，CPU1也可能會(huì)來執(zhí)行些操作啊。
在 ARMv6及以上的架構(gòu)中，原子操作的執(zhí)行過程是可以被打斷的，但是它的效果符合“原子”的定義：一個(gè)完整的“讀、修改、寫入”原子的，不會(huì)被別的程序打斷。它的思路很簡單：如果被別的程序打斷了，那就重來，最后總會(huì)成功的。

1.3.3 原子變量使用案例

現(xiàn)在可以使用原子變量實(shí)現(xiàn)：只能有一個(gè) APP訪問驅(qū)動(dòng)程序。代碼如下：

01 static atomic_t valid = ATOMIC_INIT(1); 
02 
03 static ssize_t gpio_key_drv_open (struct inode *node, struct file *file) 04 { 
05      if (atomic_dec_and_test(&valid)) 
06      { 
07              return 0; 
08      } 
09      atomic_inc(&valid); 
10      return -EBUSY; 
11 } 
12 
13 static int gpio_key_drv_close (struct inode *node, struct file *file) 
14 { 
15      atomic_inc(&valid); 
16      return 0; 
17 } 
18 

第 5行的 atomic_dec_and_test，這是一個(gè)原子操作，在 ARMv6以下的 CPU架構(gòu)中，這個(gè)函數(shù)是在關(guān)中斷的情況下執(zhí)行的，它確實(shí)是“原子的”，執(zhí)行過程不被打斷。
但是在 ARMv6及以上的 CPU架構(gòu)中，這個(gè)函數(shù)其實(shí)是可以被打斷的，但是它實(shí)現(xiàn)了原子操作的效果，如下圖所示：

1.3.4 原子位介紹

1.3.4.1 原子位的內(nèi)核操作函數(shù)

能操作原子變量，再去操作其中的某一位，不是挺簡單的嘛？不過不需要我們自己去實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核做好了。
原子位的操作函數(shù)在 Linux內(nèi)核文件 arch\arm\include\asm\bitops.h中，下表中 p是一個(gè) unsigned long指針。

1.3.4.2 原子位的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)
在 ARMv6以下的架構(gòu)里，不支持 SMP系統(tǒng)，原子位的操作函數(shù)也是簡單粗暴：關(guān)中斷。以 set_bit函數(shù)為例，代碼在內(nèi)核文件 arch\arm\include\asm\bitops.h中，如下

在 ARMv6及以上的架構(gòu)中，不需要關(guān)中斷，有 ldrex、strex等指令，這些指令的作用在前面介紹過。還是以 set_bit函數(shù)為例，代碼如下：

我不再使用原子位操作來寫代碼，留給你們練習(xí)吧。