Linux的原子操作以及LOCK首碼

關於原子操作

所謂原子操作，就是該操作絕不會在執行完畢前被任何其他任務或事件打斷，也就說，它的最小的執行單位，不可能有比它更小的執行單位，因此這裡的原子實際是使用了物理學裡的物質微粒的概念。

原子操作需要硬體的支援，因此是架構相關的，其API和原子類型的定義都定義在核心源碼樹的include/asm/atomic.h檔案中，它們都使用組合語言實現，因為C語言並不能實現這樣的操作。

原子操作主要用於實現資源計數，很多引用計數(refcnt)就是通過原子操作實現的。原子類型定義如下：

typedef struct { volatile int counter; } atomic_t; 

volatile修飾欄位告訴gcc不要對該類型的資料做最佳化處理，對它的訪問都是對記憶體的訪問，而不是對寄存器的訪問。 

原子操作API包括：  

atomic_read(atomic_t * v);                                 //該函數對原子類型的變數進行原子讀操作，它返回原子類型的變數v的值。  atomic_set(atomic_t * v, int i);                           //該函數設定原子類型的變數v的值為i。   void atomic_add(int i, atomic_t *v);                       //該函數給原子類型的變數v增加值i。  atomic_sub(int i, atomic_t *v);                            //該函數從原子類型的變數v中減去i。  int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);               //該函數從原子類型的變數v中減去i，並判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。  void atomic_inc(atomic_t *v);                              //該函數對原子類型變數v原子地增加1。   void atomic_dec(atomic_t *v);                              //該函數對原子類型的變數v原子地減1。  int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);                      //該函數對原子類型的變數v原子地減1，並判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。  int  atomic_inc_and_test(atomic_t *v);                     //該函數對原子類型的變數v原子地增加1，並判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。  int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);               //該函數對原子類型的變數v原子地增加I，並判斷結果是否為負數，如果是，返回真，否則返回假。  int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);                 //該函數對原子類型的變數v原子地增加i，並且返回指向v的指標。  int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);                 //該函數從原子類型的變數v中減去i，並且返回指向v的指標。  int atomic_inc_return(atomic_t * v);                       //該函數對原子類型的變數v原子地增加1並且返回指向v的指標。  int atomic_dec_return(atomic_t * v);                       //該函數對原子類型的變數v原子地減1並且返回指向v的指標。 

 

原子操作通常用於實現資源的引用計數，在TCP/IP協議棧的IP片段處理中，就使用了引用計數，片段隊列結構struct ipq描述了一個IP片段，欄位refcnt就是引用計數器，它的類型為atomic_t，當建立IP片段時（在函數ip_frag_create中），使用atomic_set函數把它設定為1，當引用該IP片段時，就使用函數atomic_inc把引用計數加1。 

 

 

關於LOCK

LOCK首碼作用於單個指令上，它對中斷沒有任何影響，因為中斷只能在指令之間產生。LOCK首碼的真正作用是保持對系統匯流排的控制，直到整條指令執行完畢。它在一條指令多次訪問記憶體的時候相當有用。

比如一個共用計數器，我們需要對它進行原子遞增操作，需要做如下工作：

1）從記憶體讀取該計數器的值，臨時將其儲存在CPU內部寄存器中。 2）增加讀取到的值。 3）將被修改後的值寫回記憶體。

在x86體繫結構中，這個遞增操作可以在單個指令中完成，因此中斷不會對該遞增操作產生影響。但是該指令有兩次記憶體訪問操作，讀和寫，另外一個CPU或者核（core）可能同時對該計數器進行遞增操作。如果另外一個CPU/核（core）在第1步完成後，第3步完成前讀取該計數器的值，那麼兩個CPU/核（core）都使用被修改之前的計數器值並對其進行遞增操作。這樣就出現了錯誤的情況。

如果在此時使用了LOCK首碼，第一個核在對該計數器進行操作的時候，保持對匯流排的控制權，直到兩次訪問記憶體的操作都完畢。這樣做的結果是，第二個CPU/核（Core）會延遲一段時間，知道第一個CPU完成所有操作為止。

這裡的第二個CPU/核（core）可以是DMA操作，因此在使用DMA操作的時候尤其要小心。如果處理器使用了緩衝，事情可能由於緩衝一致性問題變得更糟糕。同樣，如果使用了虛擬記憶體，也會增加該問題的嚴重程度。因此，在單個處理器的特殊指令前，最好使用lock首碼。