Linux原子操作的分析

 

作者：卢冉   （转载请注明出处）

 

本文针对Linux提供的原子操作函数 atomic_dec_and_test 做了详细的实例分析，解释了其原子性的本质意义。并对 volatile 产生的误解做了解释。

1.   atomic_dec_and_test 分析

（ 1 ）先来看 atomic_dec_and_test 的定义：

 

11 #ifdef CONFIG_SMP

12 #define LOCK "lock ; "

13 #else

14 #define LOCK ""

15 #endif

 

 

137 static __inline__ int atomic_dec_and_test(atomic_t _ v)

138 {

139 unsigned char c;

140

141 __asm__ __volatile__(

142 LOCK "decl %0; sete %1"

143 :"=m" (v->counter), "=qm" (c)

144 :"m" (v->counter) : "memory");

145 return c ! = 0;

146 }

 

11–15 this macro is used in the inline assembly part of some of the functions that follow. It means that

the LOCK macro can always be used. But sometimes (the SMP case) it invokes the machine

instruction to lock the bus; other times it has no effect.

 

142 the SETE instruction sets parameter 1 (the unsigned char c) to 1 if the zero bit is set in

EFLAGS (i.e. if the result of the subtraction was 0).

 

143 parameter 0 (the counter field) is write only ("=") and may be in memory ("m"). Parameter 1

is the unsigned char c declared on line 139. It may be in a general purpose register, or in

memory ("=qm").

 

144 parameter 2 is the input parameter i; it is expected as an immediate integer operand and may be

in a general register ("ir") . Parameter 3 is the other input, the value in (v- . counter)

beforehand. The "memory" operand constraint tells the compiler that memory will be modified

in an unpredictable manner, so it will not keep memory values cached in registers across the

group of assembler instructions.

 

145 if the result of the decrement was 0, then c was set to 1 on line 142. In that case, c ! = 0 is TRUE.

Otherwise, c was set to 0, and c ! = 0 is FALSE.

在 uniprocessor 情况下， LOCK 被扩展为空，比如说：当 decl %0 执行完之后，如果此时发生了中断，那么我认为这个时候就有可能导致系统的不一致。那么在单处理机上怎么样来保证原子操作的真正的实现？

 

解释如下 , 首先说一点 , 任何一条汇编指令都是在一个不可分割的指令周期内完成的 , 也就是说 , 只有在指令周期内的最后一个点才会查询是否有中断发生了。现在说说 LOCK 的作用 , 首先想一想 , 因为任何的操作都在 cpu 的内部进行完成 , 所以如果想对变量 v 进行操作的话 , 那么在一个 inc 指令周期内 , 实际上 cpu 还是需要从内存总读出 v 的数值 , 然后对 v 处理之后 , 再写回到内存中去 . 这里需要注意的一个问题就是 inc 指令周期中 , 实际上发生了多次的对内存的进行访问 , 而这些对内存进行的访问实际上在地址总线上并不是原子操作的 , 也就是说 . 如果存在多个 cpu 的话 , 那么另外的 cpu 完全可以在该 inc 读出 v 的数值之后 , 另外的 cpu 这个时候就可以占用地址总线 , 从中读出 v 的数值 , 而这个时候 , 当前的 cpu 当修改 v 的数值之后 , 再回写到内存中 ,这个时候实际上就已经导致了内存的不一致的问题 . 因为另外的 cpu 的数值和真实的数值已经是不一样了。而 LOCK 的作用就是使一个指令 , 例如 incl 这样的操作在地址总线上也是原子操作的 . 也就是这个指令会一直的站用着地址总线 , 直到把 v 的数值写到内存中 . 而当地址总线锁定的时候 , 别的 cpu 压根就不能访问 cpu. 所以这样就从总线的站用上保证了原子 .

在 decl 和 sete 之间确实是可以被中断的 . 但是需要清楚的是 . 该条指令只是说本次操作的结果是不是 1, 而不是用来说变量 v 的数值是不是 0. 如果你需要根据该数值进行一些操作的话 , 那么该函数的结果并不代表当前的变量 v 的真实的数值。

 

(2) 实例分析如下：

Function: mmdrop() (include/linux/sched.h)

765 static inline void mmdrop(struct mm_struct * mm)

766 {

767 if (atomic_dec_and_test(&mm->mm_count))

768 __mmdrop(mm);

769 }

 

运行 mmdrop 的时候 decl 指令将 (&mm->count)->counter 的值由 2 减为 1 ，非零， EFLAG 为 0 。此时中断产生，保存上下文（ CPU 寄存器状态被保存在栈中 ,etc ），中断处理程序调 mmdrop ， decl 指令将 (&mm->count)->counter 的值由1 减为 0 ， EFLAG 为 0 ， atomic_dec_and_test 返回值为 1 ，所以 __mmdrop 被调用 mm 被释放。中断返回，恢复中断上下文（被中断时的寄存器状态从栈中弹出， etc ）调用 sete 赋值 c=0 ， atomic_dec_and_test 返回值为 0 ，所以mmdrop 不会被调用。

 

(3) 总结：

这儿的原子操作只保证 decl 执行的原子性，不能保证整个原子操作函数执行的原子性。这个函数的意义就是在保证对操作数加 1后检查其结果是否为 0 （检查且仅检查加 1 操作后的值） , 那么按照这样的思路，不管后面是否有中断改变这个值，跟这里的检测是没有任何逻辑上的关系的，所以其调用者得到的结果还是正确的。

 

2.   volatile 分析

用 volatile 关键字声明的变量 i 每一次被访问时，执行部件都会从 i 相应的内存单元中取出 i 的值。

例如：

      

volatile i;

int main()

{

    i = 8;

    printf("%d", i);

    printf("%d", i);

    return 0;

}

反汇编：

804837e:       a1 90 95 04 08         mov    0x8049590,%eax  ；将变量值从内存取出到寄存器中

  8048383:      50                  push   %eax               ；压栈此值作为 printf 的第二个参数

  8048384:      68 84 84 04 08       push   $0x8048484             ；压栈格式串的起始地址

  8048389:      e8 22 ff ff ff            call   80482b0 <printf@plt> ；调用 printf

  804838e:       58                  pop    %eax

  804838f:       5a                  pop    %edx

8048390:      a1 90 95 04 08         mov    0x8049590,%eax    ；将变量值从内存取出到寄存器中

  8048395:      50                  push   %eax               ；压栈此值作为 printf 的第二个参数

  8048396:      68 84 84 04 08       push   $0x8048484

  804839b:      e8 10 ff ff ff            call   80482b0 <printf@plt>

 

可知， volatile 只能保证每次使用此变量之前都去内存取，可能刚刚执行 mov 取出来变量值为 8 ，还没有使用便产生中断，内存中的此变量被中断例程修改为 9 ，中断返回， push 继续压入中断产生前的变量值 8 。因此，volatile 只能尽量早的让使用者得知变量的更新值，并无法保证