gcc 原子操作函数

gcc从4.1.2以后提供了__sync_*系列的内嵌函数，提供用于针对数字或布尔型变量的原子操作。

1、原子操作的api函数

（1）直接操作数的原子操作

第一组返回更新前的值，第二组返回更新后的值

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, ...)

type可以是1,2,4或8字节长度的int类型，即：

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

后面的可扩展参数(...)用来指出哪些变量需要memory barrier,因为目前gcc实现的是full barrier（类似于linux kernel 中的mb(),表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排序到这个操作之后）,所以可以略掉这个参数。

（2）比较后操作数的原子操作

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

这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.
第二个函数在返回操作之前的值。

(3)其他原子操作

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
   将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

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

2、内存栅障

（1）内存栅障介绍

内存栅障主要是处理不同cpu运作时（主要是执行不同线程代码时），一个cpu对内存的操作的原子性，也就保证其他cpu见到的内存单元数据的正确性。

如果有对某一变量上写锁， 就不能在不获得相应的锁时对其进行读取操作。

内存栅的作用在于保证内存操作的相对顺序， 但并不保证内存操作的严格时序。 内存栅并不保证 CPU 将本地快取缓存或存储缓冲的内容刷写回内存， 而是在锁释放时确保其所保护的数据， 对于能看到刚释放的那个锁的 CPU 或设备可见。

 持有内存栅的 CPU 可以在其快取缓存或存储缓冲中将数据保持其所希望的、 任意长的时间， 但如果其它 CPU 在同一数据元上执行原子操作， 则第一个 CPU 必须保证， 其所更新的数据值， 以及内存栅所要求的任何其它操作， 对第二个 CPU 可见。

__sync_synchronize (...)

发出一个full barrier.

(2)内存栅障应用

对于执行一条指令，操作到4个寄存器时，如：

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

最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数.

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

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

memory barrier有几种类型：
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后 (linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : 以上两种barrier的合集(linux kernel中的mb())。

3、原子操作应用范围

　　原子操作只允许一次更新或读一个内存单元。 需要原子地更新多个单元时， 就必须使用锁来代替它了。 

例如， 如果需要更新两个相互关联的计数器时， 就必须使用锁， 而不是两次单独的原子操作了。

4、原子操作例子

例子代码：

#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;}

   

5、原子操作封装使用

根据常用的原子操作，封装一些实用的接口

//原子操作//设置值int lock_set(volatile int &a, int value){__sync_val_compare_and_swap(&a, a, value);return a;}//加1int lock_inc(volatile int &n){return __sync_fetch_and_add(&n, 1);}//减1int lock_dec(volatile int &n){return __sync_fetch_and_sub(&n, 1);}//加值valueint lock_add(volatile int &n, int value){return __sync_fetch_and_add(&n, value);}//减值valueint lock_sub(volatile int &n, int value){return __sync_fetch_and_sub(&n, value);}//位或valueint lock_or(volatile int &n, int value){return __sync_fetch_and_or(&n, value);}//位与valueint lock_and(volatile int &n, int value){return __sync_fetch_and_and(&n, value);}//异或valueint lock_xor(volatile int &n, int value){return __sync_fetch_and_xor(&n, value);}//无符号类型（函数重载）//设置值unsigned int lock_set(volatile unsigned int &a, unsigned int value){__sync_val_compare_and_swap(&a, a, value);return a;}//加1unsigned int lock_inc(volatile unsigned int &n){return __sync_fetch_and_add(&n, 1);}//减1unsigned int lock_dec(volatile unsigned int &n){return __sync_fetch_and_sub(&n, 1);}//加值valueunsigned int lock_add(volatile unsigned int &n, unsigned int value){return __sync_fetch_and_add((int*)&n, value);}//减值valueunsigned int lock_sub(volatile unsigned int &n, unsigned int value){return __sync_fetch_and_sub((int*)&n, value);}//位或valueunsigned int lock_or(volatile unsigned int &n, unsigned int value){return __sync_fetch_and_or((int*)&n, value);}//位与valueunsigned int lock_and(volatile unsigned int &n, unsigned int value){return __sync_fetch_and_and((int*)&n, value);}//异或valueunsigned int lock_xor(volatile unsigned int &n, unsigned int value){return __sync_fetch_and_xor((int*)&n, value);}

　　原子操作只允许一次更新或读一个内存单元。 需要原子地更新多个单元时， 就必须使用锁来代替它了。 例如， 如果需要更新两个相互关联的计数器时， 就必须使用锁， 而不是两次单独的原子操作了。