對(duì)原子atomic操作的理解

前言

我們知道，當(dāng)我們修改某一個(gè)變量的時(shí)候，在匯編層面看來(lái)，至少需要細(xì)分為“讀->改->寫”三個(gè)過(guò)程，也就是說(shuō)，他們?cè)L問(wèn)存儲(chǔ)單元兩次，第一次讀原值，第二次寫新值。
假設(shè)這樣一種場(chǎng)景，兩個(gè)cpu同時(shí)對(duì)同一個(gè)存儲(chǔ)器單元做“讀->改->寫”操作的話。首先，兩個(gè)CPU都試圖讀同一個(gè)單元，但是存儲(chǔ)器仲裁器（對(duì)訪問(wèn)RAM芯片的操作進(jìn)行串行化的硬件電路）插手，只允許其中一個(gè)訪問(wèn)而不讓另一個(gè)延遲，則這兩個(gè)讀操作會(huì)被串行化。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)讀操作已經(jīng)完成后，另一個(gè)CPU從存儲(chǔ)器單元正好讀到同一個(gè)（舊）值。然而，兩個(gè)CPU都試圖向那個(gè)存儲(chǔ)器單元寫一新值，總線存儲(chǔ)器訪問(wèn)再一次被存儲(chǔ)器總裁器串行化，最終，兩個(gè)寫操作都成功。但是，全局的結(jié)果是不對(duì)的，因?yàn)閮蓚€(gè)CPU寫入同一（新）值。因此，這很容易導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。

所以，避免由于“讀->改->寫”指令引起的競(jìng)爭(zhēng)條件的最容易的辦法，就是確保這樣的操作在芯片級(jí)是原子的。任何一個(gè)這樣的操作都必須以單個(gè)指令執(zhí)行，中斷不能中斷，且避免其他的CPU訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器單元。這些很小的原子操作可以建立在其他更靈活進(jìn)制的基礎(chǔ)之上以創(chuàng)建臨界區(qū)。
在x86平臺(tái)上，總的來(lái)說(shuō)，CPU提供三種獨(dú)立的原子鎖機(jī)制：原子
保證操作、加LOCK指令前綴和緩存一致性協(xié)議。

概念理解

原子（atom）本意是“不能被進(jìn)一步分割的最小粒子”，而原子操作
（atomic operation）意為“不可被中斷的一個(gè)或一系列操作”。對(duì)原子操作的簡(jiǎn)單描述就是：多個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)操作時(shí)，其中任何一個(gè)線程要么
完全執(zhí)行完此操作，要么沒(méi)有執(zhí)行此操作的任何步驟，那么這個(gè)操作就
是原子的。原子操作是其他內(nèi)核同步方法的基石。

api介紹

atomic_read（v） 返回*V atomic_set（v, i） 把*v置成iatomic_add（i，v） 給*v增加i atomic_add_return（i，v） 把i加到*v，返回*V的新值atomic_sub（i， v） 從*v中減去i atomic_sub_reurn（i，v） 從*v減i，返回*v的新值 atomic_sub_and_test(i，v) 從*v中減去i，如果結(jié)果為0 則返回1；否則，返回0atomic_inc（v） 把1加到*v atomic_dec(v) 從*v減 1 atomic_inc_return（v） 把1加到*v，返回*v新值 atomic_dec_return（v） 從*v減1，返回* V的新值原子位操作 test_bit（nr， addr） 返回*add的第nr位的值 set_bit（nr，addr） 設(shè)置*addr的第nr位 clear_bit（nr，addr） 清*addr的第nr位 change_bit(nr, addr) 轉(zhuǎn)換*addr的第nr位，并返回他的原值

gcc提供的api

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);

2.dpdk提供的原子操作

static inline int rte_atomic16_cmpset(volatile uint16_t *dst, uint16_t exp, uint16_t src); static inline uint16_t rte_atomic16_exchange(volatile uint16_t *dst, uint16_t val); static inline void rte_atomic16_init(rte_atomic16_t *v) static inline int16_t rte_atomic16_read(const rte_atomic16_t *v) static inline void rte_atomic16_set(rte_atomic16_t *v, int16_t new_value) static inline void rte_atomic16_add(rte_atomic16_t *v, int16_t inc) static inline void rte_atomic16_sub(rte_atomic16_t *v, int16_t dec) static inline void rte_atomic16_inc(rte_atomic16_t *v); static inline void rte_atomic16_dec(rte_atomic16_t *v); static inline int16_t rte_atomic16_add_return(rte_atomic16_t *v, int16_t inc) static inline int16_t rte_atomic16_sub_return(rte_atomic16_t *v, int16_t dec) static inline int rte_atomic16_inc_and_test(rte_atomic16_t *v); static inline int rte_atomic16_dec_and_test(rte_atomic16_t *v); static inline int rte_atomic16_test_and_set(rte_atomic16_t *v); static inline void rte_atomic16_clear(rte_atomic16_t *v)

dpdk提供了16、 32和64位的原子操作API，主要實(shí)現(xiàn)原理是使用了**LOCK指令+CMPXCHG指令**。

對(duì)于LOCK指令前綴的總線鎖，早期CPU芯片上有一條引線#HLOCK pin，如果匯編語(yǔ)言的程序中在一條指令前面加上前
綴“LOCK”（這個(gè)前綴表示鎖總線），經(jīng)過(guò)匯編以后的機(jī)器代碼就使CPU在執(zhí)行這條指令的時(shí)候把#HLOCK pin的電位拉低，持續(xù)到這條指
令結(jié)束時(shí)放開(kāi)，從而把總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時(shí)不能通過(guò)總線訪問(wèn)內(nèi)存了，保證了這條指令在多處理器環(huán)境中的原子性。
隨著處理器的發(fā)展，對(duì)LOCK前綴的實(shí)現(xiàn)也在不斷進(jìn)行著性能改善。最近幾代處理器中已經(jīng)支持新的鎖技術(shù)，若當(dāng)前訪問(wèn)的內(nèi)存已經(jīng)被處理器緩存，LOCK#不會(huì)被觸發(fā)，會(huì)用鎖緩存的方式代替。這樣處理原子操作的開(kāi)銷就在這些特定場(chǎng)景下進(jìn)一步降低。

CMPXCHG這條指令，它的語(yǔ)義是比較并交換操作數(shù)（CAS，Compare And Set）。而用XCHG類的指令做內(nèi)存操作，處理器會(huì)自動(dòng)地遵循LOCK的語(yǔ)義，可見(jiàn)該指令是一條原子的CAS單指令操作。

源碼如下

static inline int rte_atomic64_cmpset(volatile uint64_t *dst, uint64_t exp, uint64_t src) {uint8_t res;asm volatile(MPLOCKED"cmpxchgq %[src], %[dst];""sete %[res];": [res] "=a" (res), /* output */[dst] "=m" (*dst): [src] "r" (src), /* input */"a" (exp),"m" (*dst): "memory"); /* no-clobber list */return res; }

本人從dpdk移植了鎖實(shí)現(xiàn)到自己的github里面 https://github.com/air5005/usg/tree/master/libs/liblock 有興趣的可以參考.
3.linux kernel
內(nèi)核的原子鎖實(shí)現(xiàn)主要在x86結(jié)構(gòu)里面，使用的是lock指令+內(nèi)存屏障原理
提供的api基本一致，都是分為16、32、64位三種api。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的浅谈对原子锁的理解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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