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一、原子操作概述

• 原子操作可以保证指令以原子的方式执行——执行过程不被打断。众所周知，原子原本指的是不可分割的微粒，所以原子操作也就是不能够被分割的指令

Linux内核提供的原子接口

• 内核提供了两组原子操作接口——一组针对整数进行操作，另一组针对单独的位进行操作
• 在Linux支持的所有体系结构上都实现了这两组接口。大多数体系结构会提供支持原子操作的简单算术指令。而有些体系结构确实缺少简单的原子操作指令，但是也为单步执行提供了锁内存总线的指令，这就确保了其他改变内存的操作不能同时发生

二、原子整数操作（32位）

atomic_t数据类型

• 针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据进行处理
• 在这里之所以引入了一个特殊数据类型，而没有直接使用C语言的int类型，主要是出于两个原因：
  • 首先，让原子函数只接收atomic_t类型的操作数，可以确保原子操作只与这种特殊类型数据一起使用。同时，这也保证了 该类型的数据不会被传递给任何非原子函数。实际上，对一个数据一会儿要采用原子操作，一会儿又不用原子操作了，这又能有什么好处？
  • 其次，使用atomic_t类型确保编译器不对（不能说完美地完成了任务但不乏自知之明）相应的值进行访问优化——这点使得原子操作最终接收到正确的内存地址，而不只是一个別名。最后，在不同体系结构上实现原子操作的时候，使用atomic_t可以屏蔽其间的差异
• atomic_t类型定义在文件<linux/types.h>中：

typedef struct{    volatile int counter;}atomic_t;

• 尽管Linux支持的所有机器上的整型数据都是32位的，但是使用atomic_t的代码只能将该类型的数据当做24位来用。这个限制完全是因为在SPARC体系结构上，原子操作的实现不同于其他体系结构：32位int类型的低8位被嵌入了一个锁（如下图所示），因为SPARC体系结构对原子操作缺乏指令级的支持，所以只能利用该锁来避免对原子类型数据的并发访问。所以在SPARC机器上就只能使用24位了。虽然其他机器上的代码完全可以使用全部的32位 ，但在SPARC机器上却吋能造成一些奇怪和微妙的错误 这简直太不和谐了。最近，机灵的黑客已经允许SPARC提供全32位 的atomic_t，这一限制不存在了

原子整数操作列表

• 下标列出了所 有的标准原子整数操作（所有体系结构都包含这些操作）。某种特定的体系结构上实现的所有操作可以在文件<asm/atomic.h>中找到

• 原子操作通常是内联函数，往往是通过内嵌汇编指令来实现的。如果某个函数本来就是原子的，那么它往往会被定义成一个宏。例如，在大部分体系结构上，读取一个字本身就是一种原子操作，也就是说，在对一个字进行写入操作期间不可能完成对该字的读取。这样，把 atomic_ read()定义成一个宏，只须返回atomic_t类型的整数值就可以了

相关操作演示案例

• 定义一个atomic_t类型的数据方法很平常，还可以在定义时给它设定初值：

• 操作也很简单：

• 如果需要将atomic_t转为int型，可以使用atomic_read()来完成：

• 原子整数操作最常见的用途就是实现计数器。使用复杂的锁机制来保护一个单纯的计数器显然杀鸡用了宰牛刀，所以，开发者最好使用atomic_inc()和atomic_dec()这两个相对来说轻便一点的操作
• 还可以用原子整数操作原子地执行一个操作并检査结果。一个常见的例子就是原子地减操作和检査：
  • 这个函数将给定的原子变量减1 , 如果结果为0，就返回真；否则返回假

原子性与顺序性的比较

• 关于原子读取的上述讨论引发了原子性与顺序性之间差异的讨论。正如所讨论的，一个字长的读取总是原子地发生，绝不可能对同一个字交错地进写；读总是返回一个完整的字，这或者发生在写操作之前，或者之后，绝不可能发生在写过程中。例如，如果一个整数初始化为42，然后又置为365，那么读取这个整数肯定会返回42或者365，而绝不会是二者的混合。这就是我们所谓的原子性
• 也许代码比这有更多的要求。或许要求读必须在待定的写之前发生——这种需求其实不属于原子性要求，而是顺序要求。原子性确保指令执行期间不被打断，要么全部执行完，要么根本不执行。另一方面，顺序性确保即使两条或多条指令出现在独立的执行线程中，甚至独立的处理器上，它们本该的执行顺序却依然要保持
• 在本小节讨论的原子操作只保证原子性。顺序性通过屏障（barrier) 指令来实施，这将在后面文章介绍

• 在编写代码的时候，能使用原子操作时，就尽量不要使用复杂的加锁机制。对多数体系结构来讲，原子操作与更复杂的同步方法相比较，给系统带来的开销小，对高速缓存行（cache-line）的影响也小。但是，对于那些有高性能要求的代码，对多种同步方法进行测试比较，不失为一种明智的做法

三、64位原子操作

atomic64_t

• 随着64位体系结构越来越普及，内核开发者确实在考虑原子变量除32位atomic_t类型外， 应引入64位的atomic64_ t
• 因为移植性原因，atomic_t变量大小无法在体系结构之间改变。所以，atomic_t类型即便在64位体系结构下也是32位的，若要使用64位的原子变量，则要使用atomic64_ t类型——其功能和其32位的兄弟无异，使用方法完全相同，不同的只有整型变量大小32位变成了64位
• 与atomic_t一样，atomic64_2类型其实是对长整型的一个简单封装类

typedef struct{    volatile long counter;}atomic64_t;

64位原子操作的方法

• 几乎所有的经典32位原子操作都有64位的实现，它们被冠以atomic64前缀，而32位实现冠以atomic前缀
• 下图是所有标准原子操作的列表

• 所有64位体系结构都提供了atomic64_ t类型，以及一组对应的算数操作方法。但是多数32位体系机构不支持atomic64_ t类型——不过，x86-32是一个众所周知的例外。为了便于在Linux支持的各种体系结构之间移植代码，开发者应该使用32位的atom ic_t类型。把64位的atomic64_ t类型留给那些特殊体系结构和需要64位的代码吧

四、原子位操作

• 除了原子整数操作外，内核也提供了一组针对位这一级数据进行操作的函数。没什么好奇怪的，它们是与体系结构相关的操作，定义在文件<asm/bitops.h>中
• 令人感到奇怪的是位操作函数是对普通的内存地址进行操作的。它的参数是一个指针和一 个位号，第0位是给定地址的最低有效位。在32位机上，第31位是给定地址的最 有效位而第32位是下一个字的最低有效位。虽然使用原子位操作在多数情况下是对一个字长的内 进行访问，因而位号应该位于0~31（在64位机器中是0~63），但是，对位号的范围并没有限制
• 由于原子位操作是对普通的指针进行的操作，所以不像原子整型对应atomic_t，这里没有特殊的数据类型。相反，只要指针指向了任何你希望的数据，你就可以对它进行操作。来看一个例子：

• 下表给出了标准原子位操作列表

非原子操作

• 为方便起见，内核还提供了一组与上述操作对应的非原子位函数。非原子位函数与原子位函数的操作完全相同，但是，前者不保证原子性，且其名字前缀多两个下划线。例如，与test_bit()对应的非原子形式是__test_bit()
• 如果你不需要原子性操作（比如说，你已经用锁保护了自己的数据），那么这些非原子的位函数相比原子的位函数可能会执行得更快些

搜索第一个被设置的位

• 内核还提供了两个例程用来从指定的地址开始搜索第一个被设置（或未被设置）的位

• 这两个函数中第一个参数是一个指针，第二个参数是要搜索的总位数
• 返回值是第一个被设置的（或没被设置的）位的位号
• 如果你的搜索范围仅限于一个字，使用_ffs()和ffe()这两个函数更好，它们只需要给定一个要搜索的地址做参数

• 与原子整数操作不同，代码一般无法选择是否使用位操作，它们是唯一的、具有可移植性的设置特定位方法，需要选择的是使用原子位操作还是非原子位操作。如果你的代码本身已经避免了竞争条件，你可以使用非原子位操作，通常这样执行得更快，当然，这还要取决于具体的体系结构

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