GCC的built-in方法之 —— 原子操作

如果要在多线程中对同一个整型变量进行加减操作，我们知道可以通过加锁的方式保证线程同步，但仅对这一个变量加锁，是不是大材小用了？有没有类似于Linux内核中的atomic_inc()/atomic_dec()方法从指令的层面上实现操作变量的原子性？

答案是，有的。GCC提供了一系列内置函数，来完成对一些简单的数据操作的同步。

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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, ...)

这些builtin函数的作用通过名字就可以看出来，相当于：

{ tmp = *ptr; *ptr op= value; return tmp; }   //'op'可以是add,sub,or, etc.{ tmp = *ptr; *ptr = ~tmp & value; return tmp; }   // nand

这些函数的返回值为内存中原来的值。
注1：其中类型type可以是1/2/4/8字节长度的整数类型或指针类型，下同。
注2：函数原型中的省略号可指明需要memory barrier的变量的列表，目前GCC忽略这个列表，保护所有全局可见的变量，下同。

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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, ...)

这些builtin函数相当于：

{ *ptr op= value; return *ptr; }{ *ptr = ~*ptr & value; return *ptr; }   // nand

这些函数的返回值为内存中新的值。

这样，我们就可以自定义一个原子的自增操作：

#define atomic_inc(x)   __sync_add_and_fetch(&(x), 1)

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

这两个函数意思是，如果*ptr的值等于oldval（即ptr指向的内存中的值是旧值），则将新的值newval写到*ptr中。
其中第一个函数的返回值为bool类型，意思是，如果*ptr==oldval且newval写入成功，则返回true。
第二个函数则返回操作之前的*ptr的值。

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__sync_synchronize (...)

这个函数会制造一个full barrier。

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type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)

将*ptr的值设为value，返回*ptr中操作之前的值。

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void __sync_lock_release (type *ptr, ...)

释放*ptr，即 *ptr = 0 。

我们可以用这些函数对多线程中简单的数据操作做同步，而无需加锁，节省了任务调度的开销。如果在目标处理器上没有实现这些（或其中某些）内置函数，则会报出warning。

实际上，GCC实现这些内置函数是为了与 Intel Itanium Processor-specific Application Binary Interface 的7.4节的内容做兼容，也因此这些函数的名字没有以”_builtin“开头。这份文档要求这些内置函数除了实现特定的同步效果外，还需要具备如下两个重要属性：
1）每个函数的操作都是原子性的（例如在MIPS中通过LL/SC指令实现）。
2）每个函数都会实现某种内存屏障，上述__sync_lock_test_and_set为”acquire barrier”，__sync_lock_release为”release barrier”，其他均为”full barrier”（三种内存屏障的解释在文档中有说明，对应了内核中的rmb()/wmb()/mb()）。

参考资料
[1]: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.1/gcc/Atomic-Builtins.html GCC atomic-builtins
[2]: https://uclibc.org/docs/psABI-ia64.pdf Intel processor-specific ABI