Linux内核的同步机制：原子操作

petterla

原子操作：UP和SMP的异同
原子操作是不可分割的，在执行完毕不会被任何其它任务或事件中断。在单处理器系统（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是\"原子操作\"，因为中断只能发生于指令之间。这也是某些CPU指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。但是，在对称多处理器（Symetric Multi-Processor）结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。我们以decl（递减指令）为例，这是一个典型的\"读－改－写\"过程，涉及两次内存访问。设想在不同CPU运行的两个进程都在递减某个计数值，可能发生的情况是：
1． CPU A（上的进程，以下同）从内存单元把当前计数值（2）装载进它的寄存器中；
2． CPU B从内存单元把当前计数值（2）装载进它的寄存器中。
3． CPU A在它的寄存器中将计数值递减为1；
4． CPU B在它的寄存器中将计数值递减为1；
5． CPU A把修改后的计数值（1）写回内存单元。
6． CPU B把修改后的计数值（1）写回内存单元。
我们看到，内存里的计数值应该是0，然而它却是1。如果该计数值是一个共享资源的引用计数，每个进程都在递减后把该值与0进行比较，从而确定是否需要释放该共享资源。这时，两个进程都去掉了对该共享资源的引用，但没有一个进程能够释放它--两个进程都推断出：计数值是1，共享资源仍然在被使用。
原子性不可能由软件单独保证--必须需要硬件的支持，因此是和架构相关的。在x86平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀\"LOCK\"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。
Linux内核中的原子操作
Linux 2.4.21中，原子类型的定义和原子操作API都放在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，大部分使用汇编语言实现，因为c语言并不能实现这样的操作。
在x86的原子操作实现代码中，定义了LOCK宏，这个宏可以放在随后的内联汇编指令之前。如果是SMP，LOCK宏被扩展为lock指令；否则被定义为空--单CPU无需防止其它CPU的干扰，锁内存总线完全是在浪费时间。
#ifdef CONFIG_SMP
#define LOCK \"lock ; \"
#else
#define LOCK \"\"
#endif
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
在所有支持的体系结构上原子类型atomic_t都保存一个int值。在x86的某些处理器上，由于工作方式的原因，原子类型能够保证的可用范围只有24位。volatile是一个类型描述符，要求编译器不要对其描述的对象作优化处理，对它的读写都需要从内存中访问。
#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }
用于在定义原子变量时，初始化为指定的值。如：
static atomic_t count = ATOMIC_INIT(1);
#define atomic_read(v) ((v)->counter)
读取v指向的原子变量的值。由于该操作本身就是原子的，只需要一次内存访问就能完成，因此定义为一个宏，并用C代码实现。
#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))
设置v指向的原子变量为i。由于该操作本身就是原子的，只需要一次内存访问就能完成，因此定义为一个宏，并用C代码实现。
static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v)
将v指向的原子变量加上i。该函数不关心原子变量的新值，返回void类型。在下面的实现中，使用了带有C/C++表达式的内联汇编代码，格式如下（参考《AT&T ASM Syntax》）：
__asm__　__volatile__(\"Instruction List\" : Output : Input : Clobber/Modify);
__asm__ __volatile__指示编译器原封不动保留表达式中的汇编指令系列，不要考虑优化处理。涉及的约束还包括：
1. 等号约束（=）：只能用于输出操作表达式约束，说明括号内的左值表达式v->counter是write-only的。
2. 内存约束（m）：表示使用不需要借助寄存器，直接使用内存方式进行输入或输出。
3. 立即数约束（i）：表示输入表达式是一个立即数（整数），不需要借助任何寄存器。
4. 寄存器约束（r）：表示使用一个通用寄存器，由GCC在%eax/%ax/%al、%ebx/%bx/%bl、%ecx/%cx/%cl和%edx/%dx/%dl中选取一个合适的。
{
__asm__ __volatile__(
LOCK \"addl %1,%0\"
:\"=m\" (v->counter)
:\"ir\" (i), \"m\" (v->counter));
}
static __inline__ void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
从v指向的原子变量减去i。
static __inline__ int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
从v指向的原子变量减去i，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。由于x86的subl指令会在结果为0时设置CPU的zero标志位，而且这个标志位是CPU私有的，不会被其它CPU影响。因此，可以执行一次加锁的减操作，再根据CPU的zero标志位来设置本地变量c，并相应返回。
{
unsigned char c;
__asm__ __volatile__(
LOCK \"subl %2,%0; sete %1\"
:\"=m\" (v->counter), \"=qm\" (c)
:\"ir\" (i), \"m\" (v->counter) : \"memory\");
return c;
}
static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
递增v指向的原子变量。
static __inline__ void atomic_dec(atomic_t *v)
递减v指向的原子变量。
static __inline__ int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
递减v指向的原子变量，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。
static __inline__ int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
递增v指向的原子变量，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。
static __inline__ int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
将v指向的原子变量加上i，并测试结果是否为负。若为负，返回真，否则返回假。这个操作用于实现semaphore。