Linux并发与同步专题 (1)原子操作和内存屏障
1. 原子操作1.1 一个原子操作例子思考1.2 原子操作APIatomic_t数据结构表示原子变量，它的实现依赖于不同的体系结构。typedef struct {int counter;} atomic_t;Linux提供了很多操作原子变量的API。以arch/arm/include/asm/atomic.h为例。#define ATOMI...
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1. 原子操作
1.1 一个原子操作例子思考
1.2 原子操作API
atomic_t数据结构表示原子变量，它的实现依赖于不同的体系结构。
typedef struct {
int counter;
} atomic_t;Linux提供了很多操作原子变量的API。以arch/arm/include/asm/atomic.h为例。
#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }----------------------------------声明一个原子变量并初始化为i。
#define atomic_read(v) ACCESS_ONCE((v)->counter)----------------读取原子变量的值。
#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))------------------设置变量v的值为i。
#define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new))-----------把new赋值给原子变量v，返回原子变量v的旧值。
#define atomic_cmpxchg---------------------------------------------比较old和原子变量v的值，如果相等则把new赋值给v，返回原子变量v的旧值。
#define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)----------------------原子地给v加1
#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v)----------------------原子地给v减1
#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)---原子地给v加1，并且返回最新v的值
#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)---原子地给v减1，并且返回最新v的值
#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))----------原子地给v加1，结果为0返回true，否则返回false。
#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))----------原子地给v减1，结果为0返回true，否则返回fasle。
#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0)---原子地给v减i，结果为0返回true，否则返回false。
#define atomic_add_negative(i,v) (atomic_add_return(i, v) < 0)
上面虽然有多种API但是基础的只有atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四种。
他们通过ATOMIC_OPS定义，产生atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四个函数。
ARM使用ldrex和strex指令来保证add操作的原子性，指令后缀ex表示exclusive。
ldrex Rt, [Rn] - 把Rn寄存器只想内存地址的内容加载到Rt寄存器中。
strex Rd, Rt, [Rn] - 把Rt寄存器的值保存到Rn寄存器指向的内存地址中，Rd保存更新的结果，0表示更新成功，1表示失败。
GCC嵌入汇编的格式如下：
__asm__ __volatile__(指令部 : 输出部 : 输入部 : 损坏部)
__volatile__防止编译器优化，@符号标识是注释。
#define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op) \
ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \
ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op)
ATOMIC_OPS(add, +=, add)
ATOMIC_OPS(sub, -=, sub)
#define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op) \
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \
unsigned long tmp; \
int result; \
\
prefetchw(&v->counter); \----------------------提前把原子变量的值加载到cache中，以便提高性能。
__asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n" \
"1: ldrex %0, [%3]\n" \----------------------ldrex指令把原子变量v->counter的值加载到result变量中，然后在result变量中增加i值，使用strex指令把result变量的值存放到原子变量v->result中，其中变量tmp保存着strex指令更新后的结果。
" " #asm_op " %0, %0, %4\n" \
" strex %1, %0, [%3]\n" \
" teq %1, #0\n" \
" bne 1b" \
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) \
: "r" (&v->counter), "Ir" (i) \--------------------最后比较该结果是否为0，为0则表示strex指令更新成功。如果不为0，那么跳转到标签“1”处重新再来一次。
: "cc"); \
} \
#define ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op) \
static inline int atomic_##op##_return(int i, atomic_t *v) \
{ \
unsigned long tmp; \
int result; \
\
smp_mb(); \
prefetchw(&v->counter); \
\
__asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "_return\n" \
"1: ldrex %0, [%3]\n" \
" " #asm_op " %0, %0, %4\n" \
" strex %1, %0, [%3]\n" \
" teq %1, #0\n" \
" bne 1b" \
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter) \
: "r" (&v->counter), "Ir" (i) \
: "cc"); \
\
smp_mb(); \
\
return result; \
}
除了上面的API还有atomic_xchg和atomic_cmpxchg()。
static inline unsigned long __xchg(unsigned long x, volatile void *ptr, int size)
{
extern void __bad_xchg(volatile void *, int);
unsigned long ret;
#ifdef swp_is_buggy
unsigned long flags;
#endif
#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
unsigned int tmp;
#endif
smp_mb();
prefetchw((const void *)ptr);
switch (size) {
#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6
case 1:
asm volatile("@ __xchg1\n"
"1: ldrexb %0, [%3]\n"
" strexb %1, %2, [%3]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (ret), "=&r" (tmp)
: "r" (x), "r" (ptr)
: "memory", "cc");
break;
case 4:
asm volatile("@ __xchg4\n"
"1: ldrex %0, [%3]\n"
" strex %1, %2, [%3]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (ret), "=&r" (tmp)
: "r" (x), "r" (ptr)
: "memory", "cc");
break;
#elif defined(swp_is_buggy)
#ifdef CONFIG_SMP
#error SMP is not supported on this platform
#endif
case 1:
raw_local_irq_save(flags);
ret = *(volatile unsigned char *)ptr;
*(volatile unsigned char *)ptr = x;
raw_local_irq_restore(flags);
break;
case 4:
raw_local_irq_save(flags);
ret = *(volatile unsigned long *)ptr;
*(volatile unsigned long *)ptr = x;
raw_local_irq_restore(flags);
break;
#else
case 1:
asm volatile("@ __xchg1\n"
" swpb %0, %1, [%2]"
: "=&r" (ret)
: "r" (x), "r" (ptr)
: "memory", "cc");
break;
case 4:
asm volatile("@ __xchg4\n"
" swp %0, %1, [%2]"
: "=&r" (ret)
: "r" (x), "r" (ptr)
: "memory", "cc");
break;
#endif
default:
__bad_xchg(ptr, size), ret = 0;
break;
}
smp_mb();
return ret;
}
#define xchg(ptr,x) \
((__typeof__(*(ptr)))__xchg((unsigned long)(x),(ptr),sizeof(*(ptr))))
static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *ptr, int old, int new)
{
int oldval;
unsigned long res;
smp_mb();
prefetchw(&ptr->counter);
do {
__asm__ __volatile__("@ atomic_cmpxchg\n"
"ldrex %1, [%3]\n"
"mov %0, #0\n"
"teq %1, %4\n"
"strexeq %0, %5, [%3]\n"
: "=&r" (res), "=&r" (oldval), "+Qo" (ptr->counter)
: "r" (&ptr->counter), "Ir" (old), "r" (new)
: "cc");
} while (res);
smp_mb();
return oldval;
}
1.3 ARM32如何保证原子性
2. 内存屏障
2.1 内存屏障3条指令DMB/DSB/ISB
ARM体系架构中常见的3条内存屏障指令：
数据内存屏障DMB：Data Memory Barrier，它可确保会先检测到程序中位于DMB指令前的所有显示内存访问指令，然后再检测到程序中位于DMB指令后的显式内存访问指令。它不影响其它指令在处理器上的执行顺序。
数据同步屏障DSB：Data Synchronization Barrier，是一种特殊的内存屏障，只有当此指令执行完毕后，才会执行程序中位于此指令后的指令。
当满足以下条件时，此指令才会完成：
- 位于此指令前的所有显示内存访问均完成。
- 位于此指令前的所有缓存、跳转预测和TLB维护操作全部完成。
指令同步屏障ISB：Instruction Synchronization Barrier，可刷新处理器中的管道，因此可确保在ISB指令完成后，才从高速缓存或内存中提取位于该指令后的其他所有指令。
这可确保提取时间晚于ISB指令的指令，能够检测到ISB指令执行前就已经执行的上下文更改操作的执行效果。
2.2 内存屏障API
| API | 描述 | |
| barrier() | 编译优化屏障，阻止编译器为了性能优化而进行指令重排。 | |
| mb() | 内存屏障(包括读和写)，用于SMP和UP。 | |
| rmb() | 读内存屏障，用于SMP和UP。 | |
| wmb() | 写内存屏障，用于SMP和UP。 | |
| smp_mb() | 用于SMP场合的内存屏障。对于UP不存在memory order的问题，在UP上就是一个优化屏障，确保汇编和C代码的memory order一致。 | |
| smp_rmb() | 用于SMP场合的读内存屏障。 | |
| smp_wmb() | 用于SMP场合的写内存屏障。 | |
| smp_read_barrier_depends() | 读依赖屏障。 | |
#define isb(option) __asm__ __volatile__ ("isb " #option : : : "memory")
#define dsb(option) __asm__ __volatile__ ("dsb " #option : : : "memory")
#define dmb(option) __asm__ __volatile__ ("dmb " #option : : : "memory")
#define mb() do { dsb(); outer_sync(); } while (0)
#define rmb() dsb()
#define wmb() do { dsb(st); outer_sync(); } while (0)--------------------------------ST：DSB operation that waits only for stores to complete
#define smp_mb() dmb(ish)----------------------------------------------------------------ISH：DMB operation only to the inner shareable domain
#define smp_rmb() smp_mb()
#define smp_wmb() dmb(ishst)-------------------------------------------------------------ISHST:DMB operation that waits only for stores to complete, and only to the inner shareable domain
#define smp_read_barrier_depends() do { } while(0)
2.3 内存屏障例子
2.3.1 一个网卡驱动中发送数据包
网络数据包写入buffer后交给DMA负责发送，wmb()保证在DMA传输之前，数据被完全写入到buffer中。
static netdev_tx_t rtl8139_start_xmit (struct sk_buff *skb,
struct net_device *dev)
{
...
/* Note: the chip doesn't have auto-pad! */
if (likely(len < TX_BUF_SIZE)) {
if (len < ETH_ZLEN)
memset(tp->tx_buf[entry], 0, ETH_ZLEN);
skb_copy_and_csum_dev(skb, tp->tx_buf[entry]);
dev_kfree_skb_any(skb);
} else {
dev_kfree_skb_any(skb);
dev->stats.tx_dropped++;
return NETDEV_TX_OK;
}
spin_lock_irqsave(&tp->lock, flags);
/*
* Writing to TxStatus triggers a DMA transfer of the data
* copied to tp->tx_buf[entry] above. Use a memory barrier
* to make sure that the device sees the updated data.
*/
wmb();------------------------------------------------------------------确保之前的数据已经进入buffer，将buffer操作和DMA操作隔开。
RTL_W32_F (TxStatus0 + (entry * sizeof (u32)),
tp->tx_flag | max(len, (unsigned int)ETH_ZLEN));
...
}
2.3.2 睡眠唤醒API中的内存屏障
通常一个进程因为等待某系时间需要睡眠，调用wait_event()。
在wait_event()中有prepare_to_wait_event()调用了set_current_state()。
#define set_current_state(state_value) \
set_mb(current->state, (state_value))
#define set_mb(var, value) do { var = value; smp_mb(); } while (0)--------------此处smp_mb()确保current->state的值已经得到更新。
唤醒者通常调用__set_task_cpu()来设置当前进程对应的调度实体
static inline void __set_task_cpu(struct task_struct *p, unsigned int cpu)
{
set_task_rq(p, cpu);
#ifdef CONFIG_SMP
/*
* After ->cpu is set up to a new value, task_rq_lock(p, ...) can be
* successfuly executed on another CPU. We must ensure that updates of
* per-task data have been completed by this moment.
*/
smp_wmb();-----------------------------------确保之前的的写操作已经得到更新。
task_thread_info(p)->cpu = cpu;
p->wake_cpu = cpu;
#endif
}
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