ACCESS_ONCE()

如果你看过 Linux 内核中的 RCU 的实现，你应该注意到了这个叫做 ACCESS_ONCE() 宏，但是并没有很多人真正理解它的含义。网上有的地方甚至对此有错误的解释，所以特写此文来澄清一下。

虽然我早在读 perfbook 之前就了解了 ACCESS_ONCE() 的含义（通过询问大牛 Paul），但这本书中正好也没有很详细地介绍这个宏，所以就当是此书的读书笔记了。

定义

它的定义很简单，在 include/linux/compiler.h 的底部：

PLAIN TEXT

C:

1. #define ACCESS_ONCE(x) (*(volatile typeof(x) *)&(x))

仅从语法上讲，这似乎毫无意义，先取其地址，在通过指针取其值。而实际上不然，多了一个关键词 volatile，所以它的含义就是强制编译器每次使用 x 都从内存中获取。

原因
仅仅从定义来看基本上看不大出来为什么要引入这么一个东西。可以通过几个例子（均来自 Paul，我做了小的修改）看一下。

1. 循环中有每次都要读取的全局变量：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2. static int should_continue;
3. static void do_something(void);
4. ...
5.                while (should_continue)
6.                        do_something();

假设 do_something() 函数中并没有对变量 should_continue 做任何修改，那么，编译器完全有可能把它优化成：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2.                if (should_continue)
3.                        for (;;)
4.                                do_something();

这很好理解，不是吗？对于单线程的程序，这么做完全没问题，可是对于多线程，问题就出来了：如果这个线程在执行do_something() 的期间，另外一个线程改变了 should_continue 的值，那么上面的优化就是完全错误的了！更严重的问题是，编译器根本就没有办法知道这段代码是不是并发的，也就无从决定进行的优化是不是正确的！

这里有两种解决办法：1) 给 should_continue 加锁，毕竟多个进程访问和修改全局变量需要锁是很自然的；2) 禁止编译器做此优化。加锁的方法有些过了，毕竟 should_continue 只是一个布尔，而且退一步讲，就算每次读到的值不是最新的 should_continue 的值也可能是无所谓的，大不了多循环几次，所以禁止编译器做优化是一个更简单也更容易的解决办法。我们使用 ACCESS_ONCE() 来访问 should_continue：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2.      while (ACCESS_ONCE(should_continue))
3.                        do_something();

2. 指针读取一次，但要dereference多次：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2.     p = global_ptr;
3.     if (p && p->s && p->s->func)
4.         p->s->func();

那么编译器也有可能把它编译成：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2.     if (global_ptr&& global_ptr->s&& global_ptr->s->func)
3.         global_ptr->s->func();

你可以谴责编译器有些笨了，但事实上这是C标准允许的。这种情况下，另外的进程做了 global_ptr = NULL; 就会导致后一段代码 segfault，而前一段代码没问题。同上，所以这时候也要用 ACCESS_ONCE()：

PLAIN TEXT

C:

1. ...
2.     p = ACCESS_ONCE(global_ptr);
3.     if (p && p->s && p->s->func)
4.         p->s->func();

3. watchdog 中的变量：

PLAIN TEXT

C:

1. for (;;){
2.                        still_working = 1;
3.                        do_something();
4.                }

假设 do_something() 定义是可见的，而且没有修改 still_working 的值，那么，编译器可能会把它优化成：

PLAIN TEXT

C:

1. still_working = 1;
2.                for (;;) {
3.                        do_something();
4.                }

如果其它进程同时执行了：

PLAIN TEXT

C:

1. for (;;){
2.                        still_working = 0;
3.                        sleep(10);
4.                        if (!still_working)
5.                                panic();
6.                }

通过 still_working 变量来检测 wathcdog 是否停止了，并且等待10秒后，它确实停止了，panic()！经过编译器优化后，就算它没有停止也会 panic！！所以也应该加上 ACCESS_ONCE()：

PLAIN TEXT

C:

1. for (;;){
2.                        ACCESS_ONCE(still_working)= 1;
3.                        do_something();
4.                }

综上，我们不难看出，需要使用 ACCESS_ONCE() 的两个条件是：

1. 在无锁的情况下访问全局变量；
2. 对该变量的访问可能被编译器优化成合并成一次（上面第1、3个例子）或者拆分成多次（上面第2个例子）。

例子

Linus 在邮件中给出的另外一个例子是：

编译器有可能把下面的代码：

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C:

1. if (a> MEMORY){
2.         do1;
3.         do2;
4.         do3;
5.     } else {
6.         do2;
7.     }

优化成：

PLAIN TEXT

C:

1. if (a> MEMORY)
2.         do1;
3.     do2;
4.     if (a> MEMORY)
5.         do3;

这里完全符合上面我总结出来的两个条件，所以也应该使用 ACCESS_ONCE()。正如 Linus 所说，不是编译器一定会这么优化，而是你无法证明它不会做这样的优化。

So the rule is: if you access unlocked values, you use ACCESS_ONCE(). You
don't say "but it can't matter". Because you simply don't know.

再看实际中的例子：

commit 0ad92ad03aa444b312bd318b0341011a8be09d13Author: Eric DumazetDate:   Tue Nov 1 12:56:59 2011 +0000    udp: fix a race in encap_rcv handling    udp_queue_rcv_skb() has a possible race in encap_rcv handling, since    this pointer can be changed anytime.    We should use ACCESS_ONCE() to close the race.diff --git a/net/ipv4/udp.c b/net/ipv4/udp.cindex 131d8a7..ab0966d 100644--- a/net/ipv4/udp.c+++ b/net/ipv4/udp.c@@ -1397,6 +1397,8 @@ int udp_queue_rcv_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb) nf_reset(skb); if (up->encap_type) {+int (*encap_rcv)(struct sock *sk, struct sk_buff *skb);+ /*  * This is an encapsulation socket so pass the skb to  * the socket's udp_encap_rcv() hook. Otherwise, just@@ -1409,11 +1411,11 @@ int udp_queue_rcv_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)  */ /* if we're overly short, let UDP handle it */-if (skb->len > sizeof(struct udphdr) &&-    up->encap_rcv != NULL) {+encap_rcv = ACCESS_ONCE(up->encap_rcv);+if (skb->len > sizeof(struct udphdr) && encap_rcv != NULL) { int ret;-ret = (*up->encap_rcv)(sk, skb);+ret = encap_rcv(sk, skb); if (ret <= 0) { UDP_INC_STATS_BH(sock_net(sk),  UDP_MIB_INDATAGRAMS,

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或许看了上面的会让你有一种错觉，volatile 可以解决同步的问题，其实不然，它只解决其中一个方面。而且上面所有的例子有一个共同的特点：所有的写操作都是简单的赋值（相对于大于CPU字宽的结构体赋值），简单赋值操作在所有平台上都是原子性的，而如果是做加法操作，原子性未必可以保证，更不用说需要 memory barrier 的时候了。所以，不要滥用 volatile。