Linux学习第27节，内核中的原子操作

前面20多节的文章在分析 Linux 内核设计与C语言代码实现时，常会遇到全局变量。全局变量显然属于多个函数的共享资源，因此若想安全的使用它，必须做好同步。事实上，Linux 内核也确实提供了一些用于同步共享资源的接口，不过之前的文章都对此避而不谈，接下来几节将尝试学习一下 Linux 内核同步方法。

原子操作

在讨论 Linux 内核同步方法之前，先来了解一下原子操作，因为原子操作是内核其他同步方法的基石。那么什么是原子操作呢？相信大家都知道，原子是组成物体的不可再分割的微粒，那与之对应，原子操作就是不能再被分割的指令。原子操作的意义是什么呢？请考虑这个问题：

假设在某个C语言程序开发中，定义了一个全局变量 i，这时有两个线程对 i 执行“加一”的操作（即执行 i++）。

假设 i 的初值为 0，我们自然期望两个线程是下面这种执行流程：

但是若两个线程没有对全局变量 i 做任何同步操作，实际上可能是下面这样的执行流程：

线程1和线程2可能都在全局变量 i 的值增加之前读取到了它的初值，这就可能导致出现不期望的结果：当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，如果使用了原子操作，上面这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：

最后必定会得到预期结果（i==2），因为两个原子操作绝对不可能并发的访问同一个变量，也即不会出现上面那种“竞争”现象。

Linux 内核提供了两组原子操作接口，一组是针对整数的，一组是针对单个位操作的。

原子整数操作

Linux 内核为整数原子操作专门定义了 atiomic_t 类型，它是因平台而异的，在x86平台下，它的C语言代码定义如下，请看：

typedef struct {
     int counter;
} atomic_t;

显然，atomic_t 其实就是个只有一个 int 成员的结构体，Linux 内核这么定义整数原子操作的数据类型，主要就是为了区分非原子操作类型。

定义一个 atomic_t 类型的数据就很简单了，直接将 atomic_t 当作C语言中一个普通的结构体就可以了，例如：

atomic_t a;
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0);

上面定义了原子类型 b，并对其赋了初值 0，ATMOIC_INIT 是一个宏，在 x86 平台，它的 C语言代码如下：

#define ATOMIC_INIT(i)  { (i) }

定义好原子变量后，若是想使用它，可以使用 Linux 内核提供的这几个接口，请看下面的C语言示范代码：

// a = 4
atomic_set(&a, 4);
// a = a+2
atomic_add(2, &a);
// a ++
atomic_inc(&a);
// 读取
int a = atomic_read(v);

在 x86 平台，atomic_set() 和 atomic_read() 的C语言定义很简单，请看：

#define atomic_set(v, i)    (((v)->counter) = (i))
#define atomic_read(v)      ((v)->counter)

其实就是直接赋值和直接读取而已，x86 架构在物理上保证了这两个操作的原子性。atomic_inc() 和 atomic_add() 函数的C语言定义稍微复杂一点，请看：

static inline void atomic_inc(atomic_t *v)
{
     asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"
              : "+m" (v->counter));
}

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
     asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
              : "+m" (v->counter)
              : "ir" (i));
}

显然，这段C语言代码是使用内嵌汇编完成的，与 atomic_add() 函数对应的atomic_sub() 函数的C语言定义也是类似的。原子整数操作最常见的用途就是实现计数器，因为如果使用其他复杂的方法去保护一个单纯的计数器，明显就是高射炮打蚊子，大材小用了。

原子位操作

再来看看 Linux 内核关于原子位操作的设计与实现，内核没有为原子位操作定义新的专用的数据类型，最常用的几个操作是 set_bit()，clear_bit()，以及 test_bit() 函数，它们的C语言定义如下：

static inline void set_bit(int nr, volatile void *addr)
{
     asm volatile(LOCK_PREFIX "bts %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr) : "memory");
}
static inline void clear_bit(int nr, volatile void *addr)
{
     asm volatile(LOCK_PREFIX "btr %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr));
}
#define test_bit(nr, addr)          \
     (__builtin_constant_p((nr))     \
      ? constant_test_bit((nr), (addr))  \
      : variable_test_bit((nr), (addr)))

看到这里，读者可能有些疑惑，位操作不存在发生矛盾的可能性吧？那原子位操作存在的意义是什么呢？原子操作意味着指令会完整的执行，或者完全不执行。

假设有两个原子位操作，第一个操作是将 a 的 bit 3 置零，第二个操作是将 a 的 bit 3 置一。那么显然，在第一个操作完成之后，第二个操作进行之前，a 的 bit 3 必定为零，当第二个操作完成后，a 的 bit 3 必定为一。也就是说，所有的中间结果都是可预知的，都是正确无误的。

如果对变量 a 的 bit 3 先置零，再置一的两个操作不是原子操作，那么 a 的 bit 3 最后可能的确等于一了，但是中间可能根本没有被置零过，因为两个操作可能同时发生，导致 a 的 bit 3 置零失败了。这在操作硬件寄存器的时候，是绝对不能容忍的。