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C语言陷阱与技巧19节，#define atomic_read(v) ((v)->counter + 0)在宏定义后面加0有什么好处？怎样自定义一个自己的锁？

		发表于: 2019-04-28 08:29:31 | 已被阅读: 35 | 分类于: C语言

在阅读 Linux 内核源码时，发现了两个宏，相关的C语言代码如下，请看：

#define atomic_read(v)      ((v)->counter + 0)
#define atomic64_read(v)    ((v)->counter + 0)

这两个宏接收一个结构体参数，该结构体的C语言定义如下：

typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
typedef struct { volatile long counter; } atomic64_t;

这两个宏可以提供“原子操作”级的读数据操作。一开始看到这个宏的时候，我搞不懂为何要在最后“+0”，不过仔细想想，这么做至少有两个好处。

宏定义后 “+0”的技巧

首先，在 atomic_read() 宏定义后“+0”可以避免 atomic_read() 宏被当作“左值”。根据改宏的名字，应该能够知道它是“原子的”读取，而一个被读取的数据再做“左值”显然是不合适的，如果没有后面的 “+0”，下面这样误写的C语言代码，编译器是不会报错的：

if (atomic_read(v) = 32) {
    ...
}

当然，也可以使用下面这样的宏定义避免 atomic_read() 宏被当作左值：

#define atomic_read(v)      (+(v)->counter)

即加上一个“正号”，不过这么做显然没有在后面“+0”好，相信读者应该明白，这里就不赘述了。

按照C语言标准，一个宏只要名字一样，参数类型一样，逻辑一样，出现重复的宏定义时完全没有问题的，不过出现重复代码对维护来说是一件很不好的事。在宏后面“+0”的另外一个好处就是可以尽可能的避免重复的宏定义。请看：

//atomic.h
#define atomic_read(v)      ((v)->counter + 0)
#define atomic64_read(v)    ((v)->counter)

//some source file that includes atomic.h
#define atomic_read(v)      ((v)->counter) //redefinition error 
#define atomic64_read(v)    ((v)->counter) //no redefinition error

C语言程序开发中的原子操作

我们再来说说C语言程序开发中的“原子操作”。相信不少朋友都听说过“锁”的概念，它主要用于避免一些共享资源被多个线程并发访问时，出现数据错误的情况。而“原子操作”是锁的基石，或者换句话说，“锁”是依靠原子操作实现的。

众所周知，“原子”是组成万物的微小颗粒，一般认为原子已经足够小，无法再被分割。与之对应，C语言中的“原子操作”则是不能再被分割的指令。那么，原子操作的意义是什么呢？假设在某个C语言程序中定义了一个全局变量 i，如果有两个线程同时访问 i，并执行“加一”操作，如果 i 的初值为 0，我们当然希望这一过程是这样的：

但是，如果没有对 i 做任何保护，实际上非常有可能是下面这样的执行流程：
因为
访问
i和对其
加一
是独立的两个过程，线程1和线程2完全可能在 i 的值增加之前读取到了它的初值，然后各自加一，这就会导致不期望的结果出现：两个线程执行完毕后，全局变量 i 的值本来应该是 2 的，结果却为 1 了。

不过，如果

访问
和
加一
这两个操作是原子操作，上面那种竞争情况就不会出现了，整个过程只有可能是下面这两种情况之一：
最后必定会得到预期结果（i==2），因为
访问
和
加一
是一个原子操作，这个过程不可能被分割，也就不会出现不预期的结果了。

原子操作的“陷阱”与“小技巧”

可能初学者会认为C语言程序中，如果代码只有一行，那必定是原子操作。这其实是一个较为致命的“陷阱”，大多数机器只能保证操作一个字是原子的，还有一部分机器则只能保证操作一个字节是原子的。

举个最简单的例子，请看下面这段C语言代码：

struct s{
    long    a;
    double b;
    char c[1024];
};
struct s s1, s2;

s1 = s2;

s 是一个相当大的结构体，所以 s1=s2; 虽然只有一行，它仍然不是原子操作。事实上，我们可以得到这段C语言程序的汇编代码：

容易看出，虽然 s1=s2; 只是一行C语言代码，但机器却需要若干条指令才能完成，这就非常有可能被其他线程打断。例如 s1=s2; 这条语句正在赋值，还没有完成时，其他线程读取了 s1，这显然会导致不期望的结果出现。

避免出现上述“不期望”的结果出现的方法就是对 s1 和 s2 进行保护。常用的方法是使用锁，在赋值之前加锁，赋值完成后再解锁。

lock();
s1 = s2;
unlock();

互斥锁是使用最广泛的锁之一，但是互斥锁在加锁过程中可能会睡眠，这时操作系统可能会调度其他线程运行，这对于需要较长时间加锁的情况当然是好事，但是我们仅做了赋值操作，是不希望有这样的时间开销的，针对这种情况，一个小技巧是使用位操作，自定义一个轻量级的锁：

status char status  = 0;
#define BIT_LOCK       0x01

#define        BIT_UNLOCK()    (status &= ~BIT_LOCK)
#define        BIT_LOCK()\
    do{\
        while( status & BIT_LOCK);\
        status |= BIT_LOCK;\
    }while(0)

BIT_LOCK();
s1 = s2;
BIT_UNLOCK();

一个位要么是 0，要么是 1，它的变化必定是“原子”的，因此完全可以用来自定义一个轻量级的锁。不过应该注意，BIT_LOCK() 只是一个轻量级的锁，在锁住资源的时候，它不会睡眠，而是让 CPU 保持空转等待，这期间CPU什么工作也不做。所以在 BIT_LOCK() 加锁期间，应只做一些能够快速完成的工作。

请读者思考一下，为什么在处理一些能够快速完成的工作时，使用 BIT_LOCK() 比使用互斥锁的效率反而更高呢？（可阅读我的 《Linux 学习》系列文章）

小结

本节我们通过Linux 内核中的一个宏定义知道了有时候“+0”这样看似无用的操作，也是能够提供非常不错的实用技巧的。另外，本节也讨论了原子操作，以及如何利用这一原理实现自己的锁。

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