通常我们代码中的a = a + 1
这样的一行语句,翻译成汇编后蕴含着 3 条指令:
ldr x0, &a
add x0,x0,#1
str x0,&a
即
(1) 从内存中读取 a 变量到 X0 寄存器
(2)X0 寄存器加 1
(3) 将 X0 写入到内存 a 中
既然是 3 条指令,那么就有可能并发,也就意味着返回的结果可能不说预期的。
然后在 linux kernel 的操作系统中,提供访问原子变量的函数,用来解决上述问题。其中部分原子操作的 API 如下:
atomic_read
atomic_add_return(i,v)
atomic_add(i,v)
atomic_inc(v)
atomic_add_unless(v,a,u)
atomic_inc_not_zero(v)
atomic_sub_return(i,v)
atomic_sub_and_test(i,v)
atomic_sub(i,v)
atomic_dec(v)
atomic_cmpxchg(v,old,new)
那么操作系统 (仅仅是软件而已) 是如何保证原子操作的呢?(还是得靠硬件),硬件原理是什么呢?
以上的那些 API 函数,在底层调用的其实都是如下__lse_atomic_add_return##name
宏的封装,这段代码中最核心的也就是ldadd
指令了,这是 armv8.1 增加的 LSE(Large System Extension)feature。
(linux/arch/arm64/include/asm/atomic_lse.h)
static inline int __lse_atomic_add_return##name(int i, atomic_t *v)
{
u32 tmp;
asm volatile(
__LSE_PREAMBLE
" ldadd" #mb " %w[i], %w[tmp], %[v]n"
" add %w[i], %w[i], %w[tmp]"
: [i] "+r" (i), [v] "+Q" (v- >counter), [tmp] "=&r" (tmp)
: "r" (v)
: cl);
return i;
}
那么系统如果没有 LSE 扩展呢,即 armv8.0,其实现的原型如下所示,这段代码中最核心的也就是ldxr
、stxr
指令了
(linux/arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h)
static inline void __ll_sc_atomic_##op(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result;
asm volatile("// atomic_" #op "n"
__LL_SC_FALLBACK(
" prfm pstl1strm, %2n"
"1: ldxr %w0, %2n"
" " #asm_op " %w0, %w0, %w3n"
" stxr %w1, %w0, %2n"
" cbnz %w1, 1bn")
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Q" (v- >counter)
: __stringify(constraint) "r" (i));
}
那么在 armv8.0 之前呢,如 armv7 是怎样实现的?如下所示, 这段代码中最核心的也就是ldrex
、strex
指令了
(linux/arch/arm/include/asm/atomic.h)
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result;
prefetchw(&v- >counter);
__asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "n"
"1: ldrex %0, [%3]n"
" " #asm_op " %0, %0, %4n"
" strex %1, %0, [%3]n"
" teq %1, #0n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v- >counter)
: "r" (&v- >counter), "Ir" (i)
: "cc");
}
总结:
在很早期,使用 arm 的 exclusive 机制来实现的原子操作,exclusive 相关的指令也就是ldrex
、strex
了,但在 armv8 后,exclusive 机制的指令发生了变化变成了ldxr
、stxr
。
但是又由于在一个大系统中,处理器是非常多的,竞争也激烈,使用独占的存储和加载指令可能要多次尝试才能成功,性能也就变得很差,在 armv8.1 为了解决该问题,增加了ldadd
等相关的原子操作指令。
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