Linux--原子操作（介绍及其操作函数集）

亦凉 2022-10-17 00:54 457阅读 0赞

### Linux--原子操作 ###

*  1、原子操作
 *   *  1.1、概念
     *  1.2、事例
     *  1.3、原子操作结构体介绍
     *  1.4、原子操作的使用
     *   *  1.4.1、定义
         *  1.4.2、初始化
     *  1.5、原子整形操作 API 函数
     *   *  1.5.1、事例
     *  1.6、原子位操作 API 函数

# 1、原子操作 #

## 1.1、概念 ##

原子操作提供了指令原子执行，中间没有中断。就像原子被认为是不可分割颗粒一样，原子操作（atomic operation）是不可分割的操作。

## 1.2、事例 ##

假如现在要对无符号整形变量 a 赋值，值为 3，对于 C 语言来讲很简单，直接就是：

a=3

但是 C 语言要先编译为成汇编指令， ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如要借助寄存器 R0、 R1 等来完成赋值操作。假设变量 a 的地址为 0X3000000，“a=3”这一行 C语言可能会被编译为如下所示的汇编代码：

ldr r0, =0X30000000 		/* 变量 a 地址 */
    ldr r1, = 3 				/* 要写入的值 */
    str r1, [r0] 				/* 将 3 写入到 a 变量中 */

从上述代码可以看出， C 语言里面简简单单的一句“a=3”，编译成汇编文件以后变成了 3 句，那么程序在执行的时候肯定是按照示例代码 47.2.1.1 中的汇编语句一条一条的执行。假设现在线程 A要向 a 变量写入 3 这个值，而线程 B 也要向 a 变量写入 30 这个值，我们理想中的执行顺序如下图 所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

理想情况如上图所示，A线程先给a赋值给30，B线程再给a赋值为30.

但是它一共是六条语句，实际执行时可能是如下情况：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTMwOTkxNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
线程 A 最终将变量 a 设置为了 30，而并不是要求的 3！线程B 没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就要保证示例代码 中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。 Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能， Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些 API 函数。

## 1.3、原子操作结构体介绍 ##

Linux 内核定义了叫做 atomic\_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：

/*32位系统下*/
    typedef struct { 
    	int counter;
    } atomic_t;
    
    
    /*64位系统下*/
    #ifdef CONFIG_64BIT
    typedef struct { 
    	long counter;
    } atomic64_t;
    #endif

## 1.4、原子操作的使用 ##

### 1.4.1、定义 ###

atomic_t a; //定义 a

### 1.4.2、初始化 ###

可以通过宏 ATOMIC\_INIT 向原子变量赋初值。

atomic_t a = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 a 并赋初值为 0

## 1.5、原子整形操作 API 函数 ##

对原子变量进行操作，比如读、写、增加、减少等等， Linux 内核提供了大量的原子操作 API 函数，如下表 所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>API</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ATOMIC_INIT(int i)</td> 
   <td>定义原子变量的时候对其初始化。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_read(atomic_t *v)</td> 
   <td>读取 v 的值，并且返回。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void atomic_set(atomic_t *v, int i)</td> 
   <td>向 v 写入 i 值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void atomic_add(int i, atomic_t *v)</td> 
   <td>给 v 加上 i 值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void atomic_sub(int i, atomic_t *v)</td> 
   <td>从 v 减去 i 值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void atomic_inc(atomic_t *v)</td> 
   <td>给 v 加 1，也就是自增。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void atomic_dec(atomic_t *v)</td> 
   <td>从 v 减 1，也就是自减</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_dec_return(atomic_t *v)</td> 
   <td>从 v 减 1，并且返回 v 的值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_inc_return(atomic_t *v)</td> 
   <td>给 v 加 1，并且返回 v 的值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)</td> 
   <td>从 v 减 i，如果结果为 0 就返回真，否则返回假</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)</td> 
   <td>从 v 减 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)</td> 
   <td>给 v 加 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)</td> 
   <td>给 v 加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

相应的也提供了 64 位原子变量的操作 API 函数，这里我们就不详细讲解了，和表 中的 API 函数有用法一样，只是将“atomic\_”前缀换为“atomic64\_”，将 int 换为 long long。如果使用的是 64 位的 SOC，那么就要使用 64 位的原子操作函数。

### 1.5.1、事例 ###

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);		 /* 定义并初始化原子变零 v=0 */
    atomic_set(10); 					/* 设置 v=10 */
    atomic_read(&v); 					/* 读取 v 的值，肯定是 10 */
    atomic_inc(&v); 					/* v 的值加 1， v=11 */

## 1.6、原子位操作 API 函数 ##

位操作也是很常用的操作， Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic\_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作，API 函数如表所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>API</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>void set_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位置 1。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void clear_bit(int nr,void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位清零。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>void change_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位进行翻转。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int test_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>获取 p 地址的第 nr 位的值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int test_and_set_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int test_and_clear_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>int test_and_change_bit(int nr, void *p)</td> 
   <td>将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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