【Linux】linux内核原子操作的实现

所谓原子操作，就是“不可中断的一个或一系列操作”。

硬件级的原子操作：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”，因为中断只发生在指令边缘。在多处理器结构中（Symmetric Multi-Processor）就不同了，由于系统中有多个处理器独立运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。在X86平台生，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，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。对于其他平台的CPU，实现各不相同，有的是通过关中断来实现原子操作（sparc），有的通过CMPXCHG系列的指令来实现原子操作（IA64）。本文主要探讨X86平台下原子操作的实现。

软件级别的原子操作：软件级别的原子操作实现依赖于硬件原子操作的支持。

Linux内核提供了两组原子操作接口：一组是针对整数进行操作；另一组是针对单独的位进行操作。

1、原子整数操作

原子操作通常针对int或bit类型的数据，但是Linux并不能直接对int进行原子操作，而只能通过atomic_t的数据结构来进行。目前了解到的原因有两个。

一是在老的Linux版本，atomic_t实际只有24位长，低8位用来做锁。这是由于Linux是一个跨平台的实现，可以运行在多种 CPU上，有些类型的CPU比如SPARC并没有原生的atomic指令支持，所以只能在32位int使用8位来做同步锁，避免多个线程同时访问。(最新版SPARC实现已经突破此限制)。原子整数操作最常见的用途就是实现计数器。常见的用法是：

atomic_t use_cnt;

atomic_set(&use_cnt, 2);

atomic_add(4, &use_cnt);

atomic_inc(use_cnt);

在X86平台上，atomic_t定义如下：

[cpp] view plain copy

1. typedef struct {  
2.     int counter;  
3. } atomic_t;  

下面选取atomic_add来进行分析：

[cpp] view plain copy

1. static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)  
2. {  
3.     asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"  
4.              : "+m" (v->counter)  
5.              : "ir" (i));  
6. }  

可以看到，atomic_add使用了gcc提供的内嵌汇编来实现，是用一个addl指令来实现增加操作。重点看一下LOCK_PREFIX宏，它就是上文提到的锁总线操作，也就是它保证了操作的原子性。LOCK_PREFIX定义如下：

[cpp] view plain copy

1. #define LOCK_PREFIX \  
2.                 ".section .smp_locks,\"a\"\n"   \  
3.                 "  .align 4\n"                  \  
4.                 "  .long 661f\n" /* address */  \  
5.                 ".previous\n"                   \  
6.                 "661:\n\tlock; "  

展开后变成：

[cpp] view plain copy

1. .section .smp_locks,"a"  
2.   .align 4  
3.   .long 661f  
4. .previous  
5. 661:  
6.         lock;  

逐条解释如下：
.section .smp_locks,"a"
下面的代码生成到 .smp_locks 段里，属性为"a", allocatable
  .align 4
四字节对齐
  .long 661f
生成一个整数，值为下面的 661 标号的实际地址，f 表示向前引用，如果 661 标号出现
在前面，要写 661b。
.previous
代码生成恢复到原来的段，也就是 .text
661:
数字标号是局部标号，5.3 Symbol Names
        lock;
开始生成指令，lock 前缀
这段代码汇编后，在 .text 段生成一条 lock 指令前缀 0xf0，在 .smp_locks 段生成四个字节的 lock 前缀的地址，链接的时候，所有的.smp_locks 段合并起来，形成一个所有 lock 指令地址的数组，这样统计 .smp_locks 段就能知道代码里有多少个加锁的指令被生成，猜测是为了调试目的。

搜索了一下，找到了相关引用处，当一个内核模块被加载时，会调用module_finalize函数：

[cpp] view plain copy

1. int module_finalize(const Elf_Ehdr *hdr,  
2.             const Elf_Shdr *sechdrs,  
3.             struct module *me)  
4. {  
5.     const Elf_Shdr *s, *text = NULL, *alt = NULL, *locks = NULL,  
6.         *para = NULL;  
7.     char *secstrings = (void *)hdr + sechdrs[hdr->e_shstrndx].sh_offset;  
8.   
9.     for (s = sechdrs; s < sechdrs + hdr->e_shnum; s++) {   
10.         if (!strcmp(".text", secstrings + s->sh_name))  
11.             text = s;  
12.         if (!strcmp(".altinstructions", secstrings + s->sh_name))  
13.             alt = s;  
14.         if (!strcmp(".smp_locks", secstrings + s->sh_name))  
15.             locks= s;  
16.         if (!strcmp(".parainstructions", secstrings + s->sh_name))  
17.             para = s;  
18.     }  
19.   
20.     if (alt) {  
21.         /* patch .altinstructions */  
22.         void *aseg = (void *)alt->sh_addr;  
23.         apply_alternatives(aseg, aseg + alt->sh_size);  
24.     }  
25.     if (locks && text) {  
26.         void *lseg = (void *)locks->sh_addr;  
27.         void *tseg = (void *)text->sh_addr;  
28.         alternatives_smp_module_add(me, me->name,  
29.                         lseg, lseg + locks->sh_size,  
30.                         tseg, tseg + text->sh_size);  
31.     }  
32.   
33.     if (para) {  
34.         void *pseg = (void *)para->sh_addr;  
35.         apply_paravirt(pseg, pseg + para->sh_size);  
36.     }  
37.   
38.     return module_bug_finalize(hdr, sechdrs, me);  
39. }  

上面的代码说，如果模块有 .text 和 .smp_locks 段，就调这个来处理，做什么呢？

[cpp] view plain copy

1. void alternatives_smp_module_add(struct module *mod, char *name,  
2.                  void *locks, void *locks_end,  
3.                  void *text,  void *text_end)  
4. {  
5.     struct smp_alt_module *smp;  
6.   
7.     if (noreplace_smp)  
8.         return;  
9.   
10.     if (smp_alt_once) {  
11.         if (boot_cpu_has(X86_FEATURE_UP))  
12.             alternatives_smp_unlock(locks, locks_end,  
13.                         text, text_end);  
14.         return;  
15.     }  
16.   
17.     ........//省略无关代码  
18. }  

上面的代码说，如果是单处理器(UP)，就调这个：

[cpp] view plain copy

1. static void alternatives_smp_unlock(u8 **start, u8 **end, u8 *text, u8 *text_end)  
2. {  
3.     u8 **ptr;  
4.     char insn[1];  
5.   
6.     if (noreplace_smp)  
7.         return;  
8.   
9.     add_nops(insn, 1);  
10.     for (ptr = start; ptr < end; ptr++) {  
11.         if (*ptr < text)  
12.             continue;  
13.         if (*ptr > text_end)  
14.             continue;  
15.         text_poke(*ptr, insn, 1);  
16.     };  
17. }  

看到这里就能明白，这是内核配置了 smp，但是实际运行到单处理器上时，通过运行期间打补丁，根据 .smp_locks 里的记录，把 lock 指令前缀替换成 nop 以消除指令加锁的开销，这个优化真是极致了……，可能考虑很多用户直接使用的是配置支持 SMP 编译好的内核而特地对 x86/x64 做的这个优化。

2、原子位操作的实现

编写代码时，以如下的方式进行操作

unsigned long word = 0;

set_bit(0, &word); /*第0位被设置*/

set_bit(1, &word); /*第1位被设置*/

clear_bit(1, &word); /*第1位被清空*/

change_bit(0, &word); /*翻转第0位*/

为什么关注原子操作？
1）在确认一个操作是原子的情况下，多线程环境里面，我们可以避免仅仅为保护这个操作在外围加上性能开销昂贵的锁。
2）借助于原子操作，我们可以实现互斥锁。
3）借助于互斥锁，我们可以把一些列操作变为原子操作。

我们重点关注一下以下两个函数的实现：

[cpp] view plain copy

1. /** 
2.  * clear_bit - Clears a bit in memory 
3.  * @nr: Bit to clear 
4.  * @addr: Address to start counting from 
5.  * 
6.  * clear_bit() is atomic and may not be reordered.  However, it does 
7.  * not contain a memory barrier, so if it is used for locking purposes, 
8.  * you should call smp_mb__before_clear_bit() and/or smp_mb__after_clear_bit() 
9.  * in order to ensure changes are visible on other processors. 
10.  */  
11. static inline void clear_bit(int nr, volatile void *addr)  
12. {  
13.     asm volatile(LOCK_PREFIX "btr %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr));  
14. }  

[cpp] view plain copy

1. /* 
2.  * clear_bit_unlock - Clears a bit in memory 
3.  * @nr: Bit to clear 
4.  * @addr: Address to start counting from 
5.  * 
6.  * clear_bit() is atomic and implies release semantics before the memory 
7.  * operation. It can be used for an unlock. 
8.  */  
9. static inline void clear_bit_unlock(unsigned nr, volatile void *addr)  
10. {  
11.     barrier();  
12.     clear_bit(nr, addr);  
13. }  

第一个clear_bit函数比较好理解，和上面atomic系列的函数实现类似。但是注意到clear_bit_unlock函数中多了一个barrier函数，这是什么操作呢？
这就是有名的“内存屏障“或”内存栅栏“操作，先来补充一下这方面的知识。

可以看一下barrier的定义：

[cpp] view plain copy

1. #define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")  

解释一下：__volatitle__是防止编译器移动该指令的位置或者把它优化掉。"memory"，是提示编译器该指令对内存修改，防止使用某个寄存器中已经load 的内存的值。lock 前缀是让cpu 的执行下一行指令之前，保证以前的指令都被正确执行。

事实上，不止barrier，还有一个mb系列的函数也起着内存屏障的功能：

[cpp] view plain copy

1. #include <asm/system.h>  
2. "void rmb(void);"  
3. "void wmb(void);"  
4. "void mb(void);"  

这些函数在已编译的指令流中插入硬件内存屏障，具体的插入方法是平台相关的。rmb（读内存屏障）保证了屏障之前的读操作一定会在后来的读操作执行之前完成。wmb保证写操作不会乱序，mb 指令保证了两者都不会。这些函数都是 barrier 函数的超集。解释一下：编译器或现在的处理器常会自作聪明地对指令序列进行一些处理，比如数据缓存，读写指令乱序执行等等。如果优化对象是普通内存，那么一般会提升性能而且不会产生逻辑错误。但如果对I/O 操作进行类似优化很可能造成致命错误。所以要使用内存屏障，以强制该语句前后的指令以正确的次序完成。

其实在指令序列中放一个wmb 的效果是使得指令执行到该处时，把所有缓存的数据写到该写的地方，同时使得wmb 前面的写指令一定会在wmb后面 的写指令之前执行。

回到上面的函数，当clear_bit函数不用于实现锁的目的时，不用给它加上内存屏障（我的理解：不管是不是读到最新的数据，这一位就是要清零，不管加不加内存屏障，结果都是一样的）；而当用于实现锁的目的时，必须使用clear_bit_unlock函数，其实现中使用了内存屏障，以此来确保此处的修改能在其他CPU上看到（我的理解：加锁操作就是为了在多个CPU间进行同步的目的，所以要避免寄存器优化，其他CPU每次都读内存这样才能看到最新的变化，这块不是太明白）。这种操作也叫做serialization，即在执行这条指令前,CPU必须要完成前面所有对memory的访问指令(read and write)，这样是为了避免编译器进行某些优化。

同样使用serialization操作的还有test_and_set_bit函数：

[cpp] view plain copy

1. /** 
2.  * test_and_set_bit - Set a bit and return its old value 
3.  * @nr: Bit to set 
4.  * @addr: Address to count from 
5.  * 
6.  * This operation is atomic and cannot be reordered. 
7.  * It also implies a memory barrier. 
8.  */  
9. static inline int test_and_set_bit(int nr, volatile void *addr)  
10. {  
11.     int oldbit;  
12.   
13.     asm volatile(LOCK_PREFIX "bts %2,%1\n\t"  
14.              "sbb %0,%0" : "=r" (oldbit), ADDR : "Ir" (nr) : "memory");  
15.   
16.     return oldbit;  
17. }  

解释一下：
1）memory 强制gcc 编译器假设RAM 所有内存单元均被汇编指令修改，这样cpu 中的registers 和cache 中已缓存的内存单元中的数据将作废。cpu 将不得不在需要的时候重新读取内存中的数据。这就阻止了cpu 又将registers，cache 中的数据用于去优化指令，而避免去访问内存。

2）sbb  $0,0(%%esp)表示将数值0 减到esp 寄存器中，而该寄存器指向栈顶的内存单元。减去一个0，esp 寄存器的数值依然不变。即这是一条无用的汇编指令。在此利用这条无价值的汇编指令来配合lock 指令，在__asm__,__volatile__,memory 的作用下，用作cpu 的内存屏障。

这种写法和前面的clear_bit_unlock中先写一个barrier函数，再写一个正常内嵌汇编函数的功能是一样的。