详解Linux内核锁的原子操作
1、原子操作思想原子操作（atomic operation），不可分割的操作。其通过原子变量来实现，以保证单个cpu周期内，读写该变量，不能被打断，进而判断该变量的值，来解决并发引起的互斥。
atomic类型的函数可以在执行期间禁止中断，并保证在访问变量时的原子性。
同时，linux内核提供了两类原子操作的接口，分别是针对位和整型变量的原子操作。
2、整型变量原子操作2.1 api接口对于整形变量的原子操作，内核提供了一系列的 api接口
/*设置原子变量的值*/atomic_t v = atomic_init(0); /* 定义原子变量v并初始化为0 */void atomic_set(atomic_t *v, int i); /* 设置原子变量的值为i *//*获取原子变量的值*/atomic_read(atomic_t *v); /* 返回原子变量的值*//*原子变量的加减*/void atomic_add(int i, atomic_t *v); /* 原子变量增加i */void atomic_sub(int i, atomic_t *v); /* 原子变量减少i *//*原子变量的自增，自减*/void atomic_inc(atomic_t *v); /* 原子变量增加1 */void atomic_dec(atomic_t *v); /* 原子变量减少1 *//*原子变量的操作并测试*/int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); /*进行对应操作后，测试原子变量值是否为0*/int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);/*原子变量的操作并返回*/int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); /*进行对应操作后，返回新的值*/int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);int atomic_inc_return(atomic_t *v);int atomic_dec_return(atomic_t *v);2.2 api实现我们下面就介绍几个稍微有代表性的接口实现
以下基于linux内核源码4.19，刚看是看的时候，有点摸不着头脑，因为定义的地方和引用的地方较多，不太容易找到，后来才慢慢得窥门径。
2.2.1 原子变量结构体typedef struct { int counter;} atomic_t;结构体名称 ：atomic_t
文件位置 ：include/linux/types.h
主要作用 ：原子变量结构体，该结构体只包含一个整型成员变量counter，用于存储原子变量的值。
2.2.2 设置原子变量操作2.2.2.1 atomic_init#define atomic_init(i) { (i) }函数介绍 ：定义了一个atomic类型的变量，并初始化为给定的值。
文件位置 ：arch/arm/include/asm/atomic.h，由include/linux/atomic.h引用
实现方法 ：这个宏定义比较简单，通过大括号将值包裹起来作为一个结构体，结构体的第一个成员就用就是给定的该值。
2.2.2.2 atomic_set#define atomic_set(v,i) write_once(((v)- >counter), (i))#define write_once(x, val) \\({ \\ union { typeof(x) __val; char __c[1]; } __u = \\ { .__val = (__force typeof(x)) (val) }; \\ __write_once_size(&(x), __u.__c, sizeof(x)); \\ __u.__val; \\})static __always_inline void __write_once_size(volatile void *p, void *res, int size){ switch (size) { case 1: *(volatile __u8 *)p = *(__u8 *)res; break; case 2: *(volatile __u16 *)p = *(__u16 *)res; break; case 4: *(volatile __u32 *)p = *(__u32 *)res; break; case 8: *(volatile __u64 *)p = *(__u64 *)res; break; default: barrier(); __builtin_memcpy((void *)p, (const void *)res, size); barrier(); }}函数介绍 ：该函数也用作初始化原子变量
文件位置 ：由include/linux/atomic.h引用arch/arm/include/asm/atomic.h，再引用include/linux/compiler.h
实现方式 ：通过调用write_once来实现，其中write_once宏实现了一些屏蔽编译器优化的技巧，确保写入操作是原子的。
atomic_set调用write_once将i的值写入原子变量(v)->counter中，write_once以保证操作的原子性write_once用来保证操作的原子性创建union联合体，包括__val和__c成员变量定义一个__u变量，使用强制转换将参数__val转换为typeof(x)类型，传递给联合体变量__u.__val调用__write_once_size函数，将__c的值写入到x指向的内存地址中。函数返回__u.__val。union联合体它的特点是存储多种数据类型的值，但是所有成员共享同一个内存空间，这样可以节省内存空间。主要作用是将一个非字符类型的数据x强制转换为一个字符类型的数据，以字符类型数据来访问该区块的内存单元。__write_once_size函数实现了操作的原子性，核心有以下几点：该函数在向内存写入数据时使用了volatile关键字，告诉编译器不要进行优化，每次操作都从内存中读取最新的值。函数中的switch语句保证了对不同大小的数据类型使用不同的存储方式，可以保证内存访问的原子性。对于默认情况，则使用了__builtin_memcpy函数进行复制，而这个函数具有原子性。barrier()函数指示cpu要完成所有之前的内存操作，以及确保执行顺序与其他指令不发生重排。2.2.3 原子变量的加减2.2.3.1 atomic_ops/* * armv6 up and smp safe atomic ops. we use load exclusive and * store exclusive to ensure that these are atomic. we may loop * to ensure that the update happens. */#define atomic_op(op, c_op, asm_op) \\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, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\} \\#define atomic_op_return(op, c_op, asm_op) \\static inline int atomic_##op##_return_relaxed(int i, atomic_t *v) \\{ \\ unsigned long tmp; \\ int result; \\ \\ prefetchw(&v- >counter); \\ \\ __asm__ __volatile__(@ atomic_ #op _return\\n \\1: ldrex %0, [%3]\\n \\ #asm_op %0, %0, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\ \\ return result; \\}#define atomic_fetch_op(op, c_op, asm_op) \\static inline int atomic_fetch_##op##_relaxed(int i, atomic_t *v) \\{ \\ unsigned long tmp; \\ int result, val; \\ \\ prefetchw(&v- >counter); \\ \\ __asm__ __volatile__(@ atomic_fetch_ #op \\n \\1: ldrex %0, [%4]\\n \\ #asm_op %1, %0, %5\\n \\ strex %2, %1, [%4]\\n \\ teq %2, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (val), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\ \\ return result; \\}#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)找atomic_add找半天，还找到了不同的架构下面。:(
原来内核通过各种宏定义将其操作全部管理起来，宏定义在内核中的使用也是非常广泛了。
函数作用 ：通过一些列宏定义，来实现原子变量的add、sub、and、or等原子变量操作
文件位置 ：arch/arm/include/asm/atomic.h
实现方式 ：
我们以atomic_##op为例来介绍，其他大同小异！
#define atomic_op(op, c_op, asm_op) \\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, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\}首先是函数名称atomic_##op，通过##来实现字符串的拼接，使函数名称可变，如atomic_add、atomic_sub等调用prefetchw函数，预取数据到l1缓存，方便操作，提高程序性能，但是不要滥用。__asm__ __volatile__：表示汇编指令@ atomic_ #op \\n：为汇编注释1: ldrex %0, [%3]\\n：将%3存储地址的数据，读入到%0地址中，ldrex为独占式的读取操作。 #asm_op %0, %0, %4\\n： #asm_op 表示作为宏定义传进来的参数，表示不同的操作码add、sub等，操作%0和%4对应的地址的值，并将结果返回到%0地址处 strex %1, %0, [%3]\\n ：表示将%0地址处的值写入%3地址处，strex为独占式的写操作，写入的结果会返回到%1地址中 teq %1, #0\\n：测试%1寄存器的值是否为0，如果不等于0，则执行下面的 bne 1b 操作，跳转到1代码标签的位置，也就是ldrex前面的1的位置: =&r (result), =&r (tmp), +qo (v->counter)：根据汇编语法，前两个为输出操作数，第三个为输入输出操作数: r (&v->counter), ir (i)：根据汇编语法，这两个为输入操作数: cc：表示可能会修改条件码寄存器，编译期间需要优化。通过ldrex和strex两个独占式的操作，保证了读写的原子性。
2.2.3.2 atomic_add和atomic_sub定义atomic_ops(add, +=, add)atomic_ops(sub, -=, sub)通过宏定义来实现atomic_add和atomic_sub的定义，下面我们就不一一分析了，原理都是通过arm提供的ldrex strex也就是我们常说的load和store指令实现读取操作，确保操作的原子性。
3、位原子操作3.1 api接口void set_bit(nr, void *addr); // 设置位：设置addr地址的第nr位，所谓设置位即是将位写为1void clear_bit(nr, void *addr); // 清除位：清除addr地址的第nr位，所谓清除位即是将位写为0void change_bit(nr, void *addr); // 改变位：对addr地址的第nr位进行反置。test_bit(nr, void *addr); // 测试位：返回addr地址的第nr位。int test_and_set_bit(nr, void *addr);// 测试并设置位int test_and_clear_bit(nr, void *addr); // 测试并清除位int test_and_change_bit(nr, void *addr);// 测试并改变位3.2 api实现同样，我们还是简单介绍几个接口，其他核心实现原理相同
3.2.1 set_bit#define set_bit(nr,p) atomic_bitop(set_bit,nr,p)#define atomic_bitop(name,nr,p) \\ (__builtin_constant_p(nr) ? ____atomic_##name(nr, p) : _##name(nr,p))extern void _set_bit(int nr, volatile unsigned long * p);/* * these functions are the basis of our bit ops. * * first, the atomic bitops. these use native endian. */static inline void ____atomic_set_bit(unsigned int bit, volatile unsigned long *p){ unsigned long flags; unsigned long mask = bit_mask(bit); p += bit_word(bit); raw_local_irq_save(flags); *p |= mask; raw_local_irq_restore(flags);}#define bit_mask(nr) (1ul < < ((nr) % bits_per_long))#define bit_word(nr) ((nr) / bits_per_long)#ifdef config_64bit#define bits_per_long 64#else#define bits_per_long 32#endif /* config_64bit */函数介绍 ：该函数用于原子操作某个地址的某一位。
文件位置 ：/arch/arm/include/asm/bitops.h
实现方式 ：
__builtin_constant_p：gcc的一个内置函数，用来判断表达式是否为常量，如果为常量，则返回值为1____atomic_set_bit函数中bit_mask，用于获取操作位的掩码，将要设置的位设置为1，其他为0bit_word：确定要操作位的偏移，要偏移多少个字通过raw_local_irq_save和raw_local_irq_restore中断屏蔽来保证位操作*p |= mask;的原子性4、总结该文章主要详细了解了linux内核锁的原子操作，原子操作分为两种：整型变量的原子操作和位原子操作。
整型变量的原子操作：通过ldrex和strex来实现位原子操作：通过中断屏蔽来实现。
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atomic类型的函数可以在执行期间禁止中断，并保证在访问变量时的原子性。
同时，linux内核提供了两类原子操作的接口，分别是针对位和整型变量的原子操作。
2、整型变量原子操作2.1 api接口对于整形变量的原子操作，内核提供了一系列的 api接口
/*设置原子变量的值*/atomic_t v = atomic_init(0); /* 定义原子变量v并初始化为0 */void atomic_set(atomic_t *v, int i); /* 设置原子变量的值为i *//*获取原子变量的值*/atomic_read(atomic_t *v); /* 返回原子变量的值*//*原子变量的加减*/void atomic_add(int i, atomic_t *v); /* 原子变量增加i */void atomic_sub(int i, atomic_t *v); /* 原子变量减少i *//*原子变量的自增，自减*/void atomic_inc(atomic_t *v); /* 原子变量增加1 */void atomic_dec(atomic_t *v); /* 原子变量减少1 *//*原子变量的操作并测试*/int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); /*进行对应操作后，测试原子变量值是否为0*/int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);/*原子变量的操作并返回*/int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); /*进行对应操作后，返回新的值*/int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);int atomic_inc_return(atomic_t *v);int atomic_dec_return(atomic_t *v);2.2 api实现我们下面就介绍几个稍微有代表性的接口实现
以下基于linux内核源码4.19，刚看是看的时候，有点摸不着头脑，因为定义的地方和引用的地方较多，不太容易找到，后来才慢慢得窥门径。
2.2.1 原子变量结构体typedef struct { int counter;} atomic_t;结构体名称 ：atomic_t
文件位置 ：include/linux/types.h
主要作用 ：原子变量结构体，该结构体只包含一个整型成员变量counter，用于存储原子变量的值。
2.2.2 设置原子变量操作2.2.2.1 atomic_init#define atomic_init(i) { (i) }函数介绍 ：定义了一个atomic类型的变量，并初始化为给定的值。
文件位置 ：arch/arm/include/asm/atomic.h，由include/linux/atomic.h引用
实现方法 ：这个宏定义比较简单，通过大括号将值包裹起来作为一个结构体，结构体的第一个成员就用就是给定的该值。
2.2.2.2 atomic_set#define atomic_set(v,i) write_once(((v)- >counter), (i))#define write_once(x, val) \\({ \\ union { typeof(x) __val; char __c[1]; } __u = \\ { .__val = (__force typeof(x)) (val) }; \\ __write_once_size(&(x), __u.__c, sizeof(x)); \\ __u.__val; \\})static __always_inline void __write_once_size(volatile void *p, void *res, int size){ switch (size) { case 1: *(volatile __u8 *)p = *(__u8 *)res; break; case 2: *(volatile __u16 *)p = *(__u16 *)res; break; case 4: *(volatile __u32 *)p = *(__u32 *)res; break; case 8: *(volatile __u64 *)p = *(__u64 *)res; break; default: barrier(); __builtin_memcpy((void *)p, (const void *)res, size); barrier(); }}函数介绍 ：该函数也用作初始化原子变量
文件位置 ：由include/linux/atomic.h引用arch/arm/include/asm/atomic.h，再引用include/linux/compiler.h
实现方式 ：通过调用write_once来实现，其中write_once宏实现了一些屏蔽编译器优化的技巧，确保写入操作是原子的。
atomic_set调用write_once将i的值写入原子变量(v)->counter中，write_once以保证操作的原子性write_once用来保证操作的原子性创建union联合体，包括__val和__c成员变量定义一个__u变量，使用强制转换将参数__val转换为typeof(x)类型，传递给联合体变量__u.__val调用__write_once_size函数，将__c的值写入到x指向的内存地址中。函数返回__u.__val。union联合体它的特点是存储多种数据类型的值，但是所有成员共享同一个内存空间，这样可以节省内存空间。主要作用是将一个非字符类型的数据x强制转换为一个字符类型的数据，以字符类型数据来访问该区块的内存单元。__write_once_size函数实现了操作的原子性，核心有以下几点：该函数在向内存写入数据时使用了volatile关键字，告诉编译器不要进行优化，每次操作都从内存中读取最新的值。函数中的switch语句保证了对不同大小的数据类型使用不同的存储方式，可以保证内存访问的原子性。对于默认情况，则使用了__builtin_memcpy函数进行复制，而这个函数具有原子性。barrier()函数指示cpu要完成所有之前的内存操作，以及确保执行顺序与其他指令不发生重排。2.2.3 原子变量的加减2.2.3.1 atomic_ops/* * armv6 up and smp safe atomic ops. we use load exclusive and * store exclusive to ensure that these are atomic. we may loop * to ensure that the update happens. */#define atomic_op(op, c_op, asm_op) \\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, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\} \\#define atomic_op_return(op, c_op, asm_op) \\static inline int atomic_##op##_return_relaxed(int i, atomic_t *v) \\{ \\ unsigned long tmp; \\ int result; \\ \\ prefetchw(&v- >counter); \\ \\ __asm__ __volatile__(@ atomic_ #op _return\\n \\1: ldrex %0, [%3]\\n \\ #asm_op %0, %0, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\ \\ return result; \\}#define atomic_fetch_op(op, c_op, asm_op) \\static inline int atomic_fetch_##op##_relaxed(int i, atomic_t *v) \\{ \\ unsigned long tmp; \\ int result, val; \\ \\ prefetchw(&v- >counter); \\ \\ __asm__ __volatile__(@ atomic_fetch_ #op \\n \\1: ldrex %0, [%4]\\n \\ #asm_op %1, %0, %5\\n \\ strex %2, %1, [%4]\\n \\ teq %2, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (val), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\ \\ return result; \\}#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)找atomic_add找半天，还找到了不同的架构下面。:(
原来内核通过各种宏定义将其操作全部管理起来，宏定义在内核中的使用也是非常广泛了。
函数作用 ：通过一些列宏定义，来实现原子变量的add、sub、and、or等原子变量操作
文件位置 ：arch/arm/include/asm/atomic.h
实现方式 ：
我们以atomic_##op为例来介绍，其他大同小异！
#define atomic_op(op, c_op, asm_op) \\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, %4\\n \\ strex %1, %0, [%3]\\n \\ teq %1, #0\\n \\ bne 1b \\ : =&r (result), =&r (tmp), +qo (v- >counter) \\ : r (&v- >counter), ir (i) \\ : cc); \\}首先是函数名称atomic_##op，通过##来实现字符串的拼接，使函数名称可变，如atomic_add、atomic_sub等调用prefetchw函数，预取数据到l1缓存，方便操作，提高程序性能，但是不要滥用。__asm__ __volatile__：表示汇编指令@ atomic_ #op \\n：为汇编注释1: ldrex %0, [%3]\\n：将%3存储地址的数据，读入到%0地址中，ldrex为独占式的读取操作。 #asm_op %0, %0, %4\\n： #asm_op 表示作为宏定义传进来的参数，表示不同的操作码add、sub等，操作%0和%4对应的地址的值，并将结果返回到%0地址处 strex %1, %0, [%3]\\n ：表示将%0地址处的值写入%3地址处，strex为独占式的写操作，写入的结果会返回到%1地址中 teq %1, #0\\n：测试%1寄存器的值是否为0，如果不等于0，则执行下面的 bne 1b 操作，跳转到1代码标签的位置，也就是ldrex前面的1的位置: =&r (result), =&r (tmp), +qo (v->counter)：根据汇编语法，前两个为输出操作数，第三个为输入输出操作数: r (&v->counter), ir (i)：根据汇编语法，这两个为输入操作数: cc：表示可能会修改条件码寄存器，编译期间需要优化。通过ldrex和strex两个独占式的操作，保证了读写的原子性。
2.2.3.2 atomic_add和atomic_sub定义atomic_ops(add, +=, add)atomic_ops(sub, -=, sub)通过宏定义来实现atomic_add和atomic_sub的定义，下面我们就不一一分析了，原理都是通过arm提供的ldrex strex也就是我们常说的load和store指令实现读取操作，确保操作的原子性。
3、位原子操作3.1 api接口void set_bit(nr, void *addr); // 设置位：设置addr地址的第nr位，所谓设置位即是将位写为1void clear_bit(nr, void *addr); // 清除位：清除addr地址的第nr位，所谓清除位即是将位写为0void change_bit(nr, void *addr); // 改变位：对addr地址的第nr位进行反置。test_bit(nr, void *addr); // 测试位：返回addr地址的第nr位。int test_and_set_bit(nr, void *addr);// 测试并设置位int test_and_clear_bit(nr, void *addr); // 测试并清除位int test_and_change_bit(nr, void *addr);// 测试并改变位3.2 api实现同样，我们还是简单介绍几个接口，其他核心实现原理相同
3.2.1 set_bit#define set_bit(nr,p) atomic_bitop(set_bit,nr,p)#define atomic_bitop(name,nr,p) \\ (__builtin_constant_p(nr) ? ____atomic_##name(nr, p) : _##name(nr,p))extern void _set_bit(int nr, volatile unsigned long * p);/* * these functions are the basis of our bit ops. * * first, the atomic bitops. these use native endian. */static inline void ____atomic_set_bit(unsigned int bit, volatile unsigned long *p){ unsigned long flags; unsigned long mask = bit_mask(bit); p += bit_word(bit); raw_local_irq_save(flags); *p |= mask; raw_local_irq_restore(flags);}#define bit_mask(nr) (1ul < < ((nr) % bits_per_long))#define bit_word(nr) ((nr) / bits_per_long)#ifdef config_64bit#define bits_per_long 64#else#define bits_per_long 32#endif /* config_64bit */函数介绍 ：该函数用于原子操作某个地址的某一位。
文件位置 ：/arch/arm/include/asm/bitops.h
实现方式 ：
__builtin_constant_p：gcc的一个内置函数，用来判断表达式是否为常量，如果为常量，则返回值为1____atomic_set_bit函数中bit_mask，用于获取操作位的掩码，将要设置的位设置为1，其他为0bit_word：确定要操作位的偏移，要偏移多少个字通过raw_local_irq_save和raw_local_irq_restore中断屏蔽来保证位操作*p |= mask;的原子性4、总结该文章主要详细了解了linux内核锁的原子操作，原子操作分为两种：整型变量的原子操作和位原子操作。
整型变量的原子操作：通过ldrex和strex来实现位原子操作：通过中断屏蔽来实现。
华为芯片断供解决了吗，来听IC现货小编怎么说
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示波器直流耦合和交流耦合区别 示波器测量频率的方法
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