多線程原子操作

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gcc從4.1.2提供了__sync_*系列的built-in函數，用於提供加減和邏輯運算的原子操作。

其聲明如下：

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, ...)

 

這兩組函數的區別在於第一組返回更新前的值，第二組返回更新後的值。

type可以是1,2,4或8位元組長度的int類型，即：

int8_t / uint8_t
int16_t / uint16_t
int32_t / uint32_t
int64_t / uint64_t

 

後面的可擴充參數(...)用來指出哪些變數需要memory barrier,因為目前gcc實現的是full barrier（類似於linux kernel 中的mb(),表示這個操作之前的所有記憶體操作不會被重排序到這個操作之後）,所以可以略掉這個參數。


bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

這兩個函數提供原子的比較和交換，如果*ptr == oldval,就將newval寫入*ptr,
第一個函數在相等並寫入的情況下返回true.
第二個函數在返回操作之前的值。

__sync_synchronize (...)
發出一個full barrier.

關於memory barrier,cpu會對我們的指令進行排序，一般說來會提高程式的效率，但有時候可能造成我們不希望得到的結果，舉一個例子，比如我們有一個硬體裝置，它有4個寄存器，當你發出一個操作指令的時候，一個寄存器存的是你的操作指令（比如READ），兩個寄存器存的是參數（比如是地址和size），最後一個寄存器是控制寄存器，在所有的參數都設定好之後向其發出指令，裝置開始讀取參數，執行命令，程式可能如下：
    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    write1(dev.register_control,GO);
如果最後一條write1被換到了前幾條語句之前，那麼肯定不是我們所期望的，這時候我們可以在最後一條語句之前加入一個memory barrier,強制cpu執行完前面的寫入以後再執行最後一條：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    __sync_synchronize();
    write1(dev.register_control,GO);

memory barrier有幾種類型：
    acquire barrier : 不允許將barrier之後的記憶體讀取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允許將barrier之前的記憶體讀取指令移到barrier之後 (linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : 以上兩種barrier的合集(linux kernel中的mb())。


還有兩個函數：

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
   將*ptr設為value並返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
     將*ptr置0


樣本程式：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

static int count = 0;


void *test_func(void *arg)
{
        int i=0;
        for(i=0;i<20000;++i){
                __sync_fetch_and_add(&count,1);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
        pthread_t id[20];
        int i = 0;

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_create(&id[i],NULL,test_func,NULL);
        }

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_join(id[i],NULL);
        }

        printf("%d\n",count);
        return 0;
}

參考：

 

1. http://refspecs.freestandards.org/elf/IA64-SysV-psABI.pdf   section 7.42. http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html#Atomic-Builtins

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