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第一章 同步与互斥②

1.3 原子操作的实现原理与使用

在上面的第 2个失败例子里，问题在于对 valid变量的修改被打断了。如果对 valid变量的操作不能被打断，就解决这个问题了。
这可以使用原子操作，所谓“原子操作”就是这个操作不会被打断。Linux有 2种原子操作：原子变量、原子位。

1.3.1 原子变量的内核操作函数

原子变量的操作函数在 Linux内核文件 arch\arm\include\asm\atomic.h中。
原子变量类型如下，实际上就是一个结构体(内核文件 include/linux/types.h)：

特殊的地方在于它的操作函数，如下(下表中 v都是 atomic_t指针)：

1.3.2 原子变量的内核实现

注意：SMP就是 Symmetric Multi-Processors，对称多处理器；UP即 Uni-Processor，系统只有一个单核 CPU。
这些函数都是在 Linux内核文件 arch\arm\include\asm\atomic.h中。
atomic_read，atomic_set这些操作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。
问题在于 atomic_inc这类操作，要读出、修改、写回。
以 atomic_inc为例，在 atomic.h文件中，如下定义：

#define atomic_inc(v)  atomic_add(1, v) 

atomic_add又是怎样实现的呢？用下面这个宏：

ATOMIC_OPS(add, +=, add) 

把这个宏展开：

#define ATOMIC_OPS(op, c_op, asm_op)   \ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)     \ATOMIC_OP_RETURN(op, c_op, asm_op)   \ATOMIC_FETCH_OP(op, c_op, asm_op) 

从上面的宏可以知道，一个 ATOMIC_OPS定义了 3个函数。比如“ATOMIC_OPS(add, +=, add)”就定义了这 3个函数：

atomic_add 
atomic_add_return 
atomic_atomic_fetch_add 或 atomic_fetch_add_relaxed 

我们以 ATOMIC_OP(add, +=, add)为例，看它是如何实现 atomic_add函数的，对于 UP系统、SMP系统，分别有不同的实现方法。

1.3.2.1 ATOMIC_OP在 UP系统中的实现

对于 ARMv6以下的 CPU系统，不支持 SMP。原子变量的操作简单粗暴：关中断，中断都关了，谁能来打断我？代码如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

1.3.2.2 ATOMIC_OP在 SMP系统中的实现

对于 ARMv6及以上的 CPU，有一些特殊的汇编指令来实现原子操作，不再需要关中断，代码如下(arch\arm\include\asm\atomic.h)：

在 ARMv6及以上的架构中，有 ldrex、strex指令，ex表示 exclude，意为独占地。这 2条指令要配合使用，举例如下：
① 读出：ldrex r0, [r1]
读取 r1所指内存的数据，存入 r0；并且标记r1所指内存为“独占访问”。
如果有其他程序再次执行“ldrex r0, [r1]”，一样会成功，一样会标记 r1所指内存为“独占访问”。 ② 修改 r0的值
③ 写入：strex r2, r0, [r1]：
如果 r1的“独占访问”标记还存在，则把 r0的新值写入 r1所指内存，并且清除“独占访问”的标记，把 r2设为 0表示成功。
如果 r1的“独占访问”标记不存在了，就不会更新内存，并且把 r2设为 1表示失败。
假设这样的抢占场景：
① 程序 A在读出、修改某个变量时，被程序 B抢占了；
② 程序 B先完成了操作，程序 B的 strex操作会清除“独占访问”的标记；
③ 轮到程序 A执行剩下的写入操作时，它发现独占访问”标记不存在了，于是取消写入操作。 这就避免了这样的事情发生：程序 A、B同时修改这个变量，并且都自认为成功了。
举报个例子，比如 atomic_dec，假设一开始变量值为 1，程序 A本想把值从 1变为 0；但是中途被程序B先把值从 1变成 0了；但是没关系，程序 A里会再次读出新值、修改、写入，最终这个值被程序 A从 0改为-1。
在 ARMv6及以上的架构中，原子操作不再需要关闭中断，关中断的花销太大了。并且关中断并不适合SMP多 CPU系统，你关了 CPU0的中断，CPU1也可能会来执行些操作啊。
在 ARMv6及以上的架构中，原子操作的执行过程是可以被打断的，但是它的效果符合“原子”的定义：一个完整的“读、修改、写入”原子的，不会被别的程序打断。它的思路很简单：如果被别的程序打断了，那就重来，最后总会成功的。

1.3.3 原子变量使用案例

现在可以使用原子变量实现：只能有一个 APP访问驱动程序。代码如下：

01 static atomic_t valid = ATOMIC_INIT(1); 
02 
03 static ssize_t gpio_key_drv_open (struct inode *node, struct file *file) 04 { 
05      if (atomic_dec_and_test(&valid)) 
06      { 
07              return 0; 
08      } 
09      atomic_inc(&valid); 
10      return -EBUSY; 
11 } 
12 
13 static int gpio_key_drv_close (struct inode *node, struct file *file) 
14 { 
15      atomic_inc(&valid); 
16      return 0; 
17 } 
18 

第 5行的 atomic_dec_and_test，这是一个原子操作，在 ARMv6以下的 CPU架构中，这个函数是在关中断的情况下执行的，它确实是“原子的”，执行过程不被打断。
但是在 ARMv6及以上的 CPU架构中，这个函数其实是可以被打断的，但是它实现了原子操作的效果，如下图所示：

1.3.4 原子位介绍

1.3.4.1 原子位的内核操作函数

能操作原子变量，再去操作其中的某一位，不是挺简单的嘛？不过不需要我们自己去实现，内核做好了。
原子位的操作函数在 Linux内核文件 arch\arm\include\asm\bitops.h中，下表中 p是一个 unsigned long指针。

1.3.4.2 原子位的内核实现
在 ARMv6以下的架构里，不支持 SMP系统，原子位的操作函数也是简单粗暴：关中断。以 set_bit函数为例，代码在内核文件 arch\arm\include\asm\bitops.h中，如下

在 ARMv6及以上的架构中，不需要关中断，有 ldrex、strex等指令，这些指令的作用在前面介绍过。还是以 set_bit函数为例，代码如下：

我不再使用原子位操作来写代码，留给你们练习吧。