Linux下的原子操作

Posted 2020-06-19 随风飘落的雨滴

linux支持的哪些操作是具有原子特性的？知道这些东西是理解和设计无锁化编程算法的基础。

__sync_fetch_and_add系列的命令，发现这个系列命令讲的最好的一篇文章，英文好的同学可以直接去看原文。Multithreaded simple data type access and atomic variables
__sync_fetch_and_add系列一共有十二个函数，有加/减/与/或/异或/等函数的原子性操作函数,__sync_fetch_and_add,顾名思义，先fetch，然后自加，返回的是自加以前的值。以count = 4为例，调用__sync_fetch_and_add(&count,1),之后，返回值是4，然后，count变成了5.
有__sync_fetch_and_add,自然也就有__sync_add_and_fetch，呵呵这个的意思就很清楚了，先自加，在返回。他们哥俩的关系与i++和++i的关系是一样的。被谭浩强他老人家收过保护费的都会清楚了。
有了这个宝贝函数，我们就有新的解决办法了。对于多线程对全局变量进行自加，我们就再也不用理线程锁了。下面这行代码，和上面被pthread_mutex保护的那行代码作用是一样的，而且也是线程安全的。
__sync_fetch_and_add( &global_int, 1 );
下面是这群函数的全家福，大家看名字就知道是这些函数是干啥的了。
在用gcc编译的时候要加上选项 -march=i686
// sam:在我的服务器上，发现不加都可以。

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value);
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value);

// sam:很纳闷为什么后边要写省略号，是不是还有不需要我们关心的参数？用的时候不需要传参数？下面这两个函数正是哥想要的啦，可以轻松实现互斥锁的功能。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type*ptr, type oldval, type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.
第二个函数在返回操作之前的值。

__sync_synchronize (...)

还有两个函数：
type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
将*ptr置0

 

__sync_synchronize (...)

发出一个full barrier.

关于memory barrier,cpu会对我们的指令进行排序，一般说来会提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望得到的结果，举一个例子，比如我们有一个硬件设备，它有4个寄存器，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令（比如READ），两个寄存器存的是参数（比如是地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    write1(dev.register_control,GO);

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    __sync_synchronize();
    write1(dev.register_control,GO);

memory barrier有几种类型：
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后 (linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : 以上两种barrier的合集(linux kernel中的mb())。


还有两个函数：

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
   将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
     将*ptr置0


示例程序：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

static int count = 0;


void *test_func(void *arg)
{
        int i=0;
        for(i=0;i<20000;++i){
                __sync_fetch_and_add(&count,1);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
        pthread_t id[20];
        int i = 0;

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_create(&id[i],NULL,test_func,NULL);
        }

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_join(id[i],NULL);
        }

        printf("%d\n",count);
        return 0;
}

 

参考原文章：

1、http://blog.csdn.net/hzhsan/article/details/25124901

2、http://www.linuxidc.com/Linux/2011-06/37403.htm