Linux内核同步机制之原子操作

一、源由

我们的程序逻辑经常遇到这样的操作序列：

1、读一个位于memory中的变量的值到寄存器中

2、修改该变量的值（也就是修改寄存器中的值）

3、将寄存器中的数值写回memory中的变量值

如果这个操作序列是串行化的操作（在一个thread中串行执行），那么一切OK，然而，世界总是不能如你所愿。在多CPU体系结构中，运行在两个CPU上的两个内核控制路径同时并行执行上面操作序列，有可能发生下面的场景：

多个CPUs和memory chip是通过总线互联的，在任意时刻，只能有一个总线master设备（例如CPU、DMA controller）访问该Slave设备（在这个场景中，slave设备是RAM chip）。因此，来自两个CPU上的读memory操作被串行化执行，分别获得了同样的旧值。完成修改后，两个CPU都想进行写操作，把修改的值写回到memory。但是，硬件arbiter的限制使得CPU的写回必须是串行化的，因此CPU1首先获得了访问权，进行写回动作，随后，CPU2完成写回动作。在这种情况下，CPU1的对memory的修改被CPU2的操作覆盖了，因此执行结果是错误的。

不仅是多CPU，在单CPU上也会由于有多个内核控制路径的交错而导致上面描述的错误。一个具体的例子如下：

系统调用的控制路径上，完成读操作后，硬件触发中断，开始执行中断handler。这种场景下，中断handler控制路径的写回的操作被系统调用控制路径上的写回覆盖了，结果也是错误的。

二、对策

对于那些有多个内核控制路径进行read-modify-write的变量，内核提供了一个特殊的类型atomic_t，具体定义如下：

从上面的定义来看，atomic_t实际上就是一个int类型的counter，不过定义这样特殊的类型atomic_t是有其思考的：内核定义了若干atomic_xxx的接口API函数，这些函数只会接收atomic_t类型的参数。这样可以确保atomic_xxx的接口函数只会操作atomic_t类型的数据。同样的，如果你定义了atomic_t类型的变量（你期望用atomic_xxx的接口API函数操作它），这些变量也不会被那些普通的、非原子变量操作的API函数接受。

具体的接口API函数整理如下：

三、ARM中的实现

我们以atomic_add为例，描述linux kernel中原子操作的具体代码实现细节：

（1）ARMv6之前的CPU并不支持SMP，之后的ARM架构都是支持SMP的（例如我们熟悉的ARMv7-A）。因此，对于ARM处理，其原子操作分成了两个阵营，一个是支持SMP的ARMv6之后的CPU，另外一个就是ARMv6之前的，只有单核架构的CPU。对于UP，原子操作就是通过关闭CPU中断来完成的。

（2）这里的代码和preloading cache相关。在strex指令之前将要操作的memory内容加载到cache中可以显著提高性能。

（3）为了完整性，我还是重复一下汇编嵌入c代码的语法：嵌入式汇编的语法格式是：asm(code : output operand list : input operand list : clobber list)。output operand list 和 input operand list是c代码和嵌入式汇编代码的接口，clobber list描述了汇编代码对寄存器的修改情况。为何要有clober list？我们的c代码是gcc来处理的，当遇到嵌入汇编代码的时候，gcc会将这些嵌入式汇编的文本送给gas进行后续处理。这样，gcc需要了解嵌入汇编代码对寄存器的修改情况，否则有可能会造成大麻烦。例如：gcc对c代码进行处理，将某些变量值保存在寄存器中，如果嵌入汇编修改了该寄存器的值，又没有通知gcc的话，那么，gcc会以为寄存器中仍然保存了之前的变量值，因此不会重新加载该变量到寄存器，而是直接使用这个被嵌入式汇编修改的寄存器，这时候，我们唯一能做的就是静静的等待程序的崩溃。还好，在output operand list 和 input operand list中涉及的寄存器都不需要体现在clobber list中（gcc分配了这些寄存器，当然知道嵌入汇编代码会修改其内容），因此，大部分的嵌入式汇编的clobber list都是空的，或者只有一个cc，通知gcc，嵌入式汇编代码更新了condition code register。

大家对着上面的code就可以分开各段内容了。@符号标识该行是注释。

这里的__volatile__主要是用来防止编译器优化的。也就是说，在编译该c代码的时候，如果使用优化选项（-O）进行编译，对于那些没有声明__volatile__的嵌入式汇编，编译器有可能会对嵌入c代码的汇编进行优化，编译的结果可能不是原来你撰写的汇编代码，但是如果你的嵌入式汇编使用__asm__ __volatile__(嵌入式汇编)的语法格式，那么也就是告诉编译器，不要随便动我的嵌入汇编代码哦。

（4）我们先看ldrex和strex这两条汇编指令的使用方法。ldr和str这两条指令大家都是非常的熟悉了，后缀的ex表示Exclusive，是ARMv7提供的为了实现同步的汇编指令。

LDREX  , []

是base register，保存memory的address，LDREX指令从base register中获取memory address，并且将memory的内容加载到(destination register)中。这些操作和ldr的操作是一样的，那么如何体现exclusive呢？其实，在执行这条指令的时候，还放出两条“狗”来负责观察特定地址的访问（就是保存在[]中的地址了），这两条狗一条叫做local monitor，一条叫做global monitor。

STREX , , []

和LDREX指令类似，是base register，保存memory的address，STREX指令从base register中获取memory address，并且将 (source register)中的内容加载到该memory中。这里的保存了memeory 更新成功或者失败的结果，0表示memory更新成功，1表示失败。STREX指令是否能成功执行是和local monitor和global monitor的状态相关的。对于Non-shareable memory（该memory不是多个CPU之间共享的，只会被一个CPU访问），只需要放出该CPU的local monitor这条狗就OK了，下面的表格可以描述这种情况

开始的时候，local monitor处于Open Access state的状态，thread 1执行LDREX 命令后，local monitor的状态迁移到Exclusive Access state（标记本地CPU对xxx地址进行了LDREX的操作），这时候，中断发生了，在中断handler中，又一次执行了LDREX ，这时候，local monitor的状态保持不变，直到STREX指令成功执行，local monitor的状态迁移到Open Access state的状态（清除xxx地址上的LDREX的标记）。返回thread 1的时候，在Open Access state的状态下，执行STREX指令会导致该指令执行失败（没有LDREX的标记，何来STREX），说明有其他的内核控制路径插入了。

对于shareable memory，需要系统中所有的local monitor和global monitor共同工作，完成exclusive access，概念类似，这里就不再赘述了。

大概的原理已经描述完毕，下面回到具体实现面。

其中％3就是input operand list中的"r" (&v->counter)，r是限制符（constraint），用来告诉编译器gcc，你看着办吧，你帮我选择一个通用寄存器保存该操作数吧。％0对应output openrand list中的"=&r" (result)，=表示该操作数是write only的，&表示该操作数是一个earlyclobber operand，具体是什么意思呢？编译器在处理嵌入式汇编的时候，倾向使用尽可能少的寄存器，如果output operand没有&修饰的话，汇编指令中的input和output操作数会使用同样一个寄存器。因此，&确保了％3和％0使用不同的寄存器。

（5）完成步骤（4）后，％0这个output操作数已经被赋值为atomic_t变量的old value，毫无疑问，这里的操作是要给old value加上i。这里％4对应"Ir" (i)，这里“I”这个限制符对应ARM平台，表示这是一个有特定限制的立即数，该数必须是0～255之间的一个整数通过rotation的操作得到的一个32bit的立即数。这是和ARM的data-processing instructions如何解析立即数有关的。每个指令32个bit，其中12个bit被用来表示立即数，其中8个bit是真正的数据，4个bit用来表示如何rotation。更详细的内容请参考ARM ARM文档。

（6）这一步将修改后的new value保存在atomic_t变量中。是否能够正确的操作的状态标记保存在％1操作数中，也就是"=&r" (tmp)。

（7）检查memory update的操作是否正确完成，如果OK，皆大欢喜，如果发生了问题（有其他的内核路径插入），那么需要跳转到lable 1那里，从新进行一次read-modify-write的操作。