woaidongmao

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原子操作

在多进程(线程)访问资源时,能够确保所有其他的进程(线程)都不在同一时间内访问相同的资源。

  原子操作:UPSMP的异同

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  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_settest_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(Symmetric 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(CPU A上所运行的进程,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。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

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  原子操作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。

  * 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SMPLOCK宏被扩展为lock指令;否则被定义为空 -- 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);

  * 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->counterwrite-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%eax/%ax/%al%ebx/%bx/%bl%ecx/%cx/%cl%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__ 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x86subl指令会在结果为0时设置CPUzero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CPUzero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;

  }

  ------------------------------------

  #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指向的原子变量的值为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_sub(int i, atomic_t *v)

  从v指向的原子变量减去i

  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

posted on 2009-10-19 18:47 肥仔 阅读(801) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++ 基础


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