原子操作如何保證原子性

ycnian

大家好，我正在看內(nèi)核同步部分的代碼，但是沒有弄清楚原子操作到底是怎么回事。舉個例子來說，atomic_add()可以實現(xiàn)原子加操作，代碼如下。
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
        asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
                     : "+m" (v->counter)
                     : "ir" (i));
}

其中LOCK_PREFIX定義如下：
#ifdef CONFIG_SMP
#define LOCK_PREFIX_HERE \
                ".section .smp_locks,\"a\"\n"   \
                ".balign 4\n"                   \
                ".long 671f - .\n" /* offset */ \
                ".previous\n"                   \
                "671:"
#define LOCK_PREFIX LOCK_PREFIX_HERE "\n\tlock; "
#else /* ! CONFIG_SMP */
#define LOCK_PREFIX_HERE ""
#define LOCK_PREFIX ""
#endif

先不考慮SMP了，只看單處理器的情況，這時候可以直接忽略掉LOCK_PREFIX。這種情況下，我對atomic_add()進行了匯編，結(jié)果如下：
00000000 <atomic_add>:
(第1條指令)   0:        55                      push   %ebp
(第2條指令)   1:        89 e5                   mov    %esp,%ebp
(第3條指令)   3:        8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax   // 這是v->counter的地址.
(第4條指令)   6:        8b 55 08                mov    0x8(%ebp),%edx   // 這是變量i的值
(第5條指令)   9:        8b 4d 0c                mov    0xc(%ebp),%ecx   // 可能是編譯器的問題，這條指令可以忽略
(第6條指令)   c:        01 10                   add    %edx,(%eax)      // 求和，并把結(jié)果寫到v->counter中.
(第7條指令)   e:        5d                      pop    %ebp
(第8條指令)   f:        c3                      ret

也就是說atomic_add()匯編的結(jié)果是8條指令。假設(shè)v的初始值是3，現(xiàn)在兩個進程分別執(zhí)行原子加操作： 進程1 atomic_add(2, v)    進程2 atomic_add(5, v)。
進程1先執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行完第5條指令后發(fā)生了進程切換，此時v中的值還是3。進程2接著執(zhí)行，且中間沒有發(fā)生進程切換，當(dāng)進程2執(zhí)行完畢后v的值變成了8�，F(xiàn)在進程1接著執(zhí)行第6條指令 “add    %edx,(%eax)”。寄存器eax中保存的是v的地址，CPU將執(zhí)行三個操作：1.將v的值讀取到寄存器中（現(xiàn)在v的值已經(jīng)是8了），2.求和（結(jié)果是10），3.將v的值寫到內(nèi)存中。這樣的話，對于進程1來說，執(zhí)行atomic_add(2, v)前v的值是3，執(zhí)行后的值是10了，這還能叫原子操作嗎？

不知道是我的理解有誤，還是怎么回事？大家怎么理解的？非常感謝。我看的內(nèi)核版本是3.6.0。

ycnian

可不可以這么理解：這些原子操作不是針對進程的，而是針對整個系統(tǒng)的。雖然對于進程1來說atomic_add()的結(jié)果不對，但是對于整個系統(tǒng)來說，最后的結(jié)果是10，這是正確的。內(nèi)核中的原子操作是為了避免SMP系統(tǒng)中的異常情況，因為多個處理器可以同時操作內(nèi)存單元。比如進程1在CPU1上執(zhí)行，進程2在CPU2上執(zhí)行。這種情況下如果不加lock的話，add就不能認(rèn)為是原子操作了。因為add包含了讀、求和、寫三個步驟。進程1執(zhí)行讀、求和操作（結(jié)果是5），進程2執(zhí)行讀、求和操作（結(jié)果是8），進程1執(zhí)行寫操作（結(jié)果是5），進程2執(zhí)行寫操作（結(jié)果是8）。這樣的話對于整個系統(tǒng)來說，結(jié)果就錯了。因此SMP系統(tǒng)中需要使用lock。

ycnian

接著說我現(xiàn)在的理解。進程1執(zhí)行atomic_add(2, v)之前v的值是2，執(zhí)行之后v的值是10。這個結(jié)果看似錯了，其實沒有錯。我們看匯編后生成的8條指令，按照前面的例子，進程1執(zhí)行完第5條指令后發(fā)生了進程切換，但是其實這時候atomic_add(2, v)還沒有讀取v的值，前幾條指令只獲取了v的地址，可以看作一些準(zhǔn)備操作。當(dāng)進程再次切換回來后進程1接著執(zhí)行"add    %edx,(%eax)"。因為這時候v的實際值是8，進程1當(dāng)然要在v當(dāng)前值的基礎(chǔ)上加2，只要保證“讀數(shù)據(jù)->求和->寫數(shù)據(jù)”這個步驟不被其他進程或者其他CPU打攪就行了，這就叫原子操作。不過程序中需要注意：

.......
v = 3;
atomic_add(2, v);
// 現(xiàn)在v的值不一定是5
.......

ycnian

不過我又有新問題了，看另外一個函數(shù)int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)，這個函數(shù)對v進行減1操作。如果v減到0了，函數(shù)返回true，否則返回false。當(dāng)v減到0時表示系統(tǒng)中某個資源已經(jīng)空閑不用了，可以刪除這個資源了。這個函數(shù)匯編后的代碼如下：
00000000 <atomic_dec_and_test>:
(第1條指令)   0:        55                      push   %ebp
(第2條指令)   1:        89 e5                   mov    %esp,%ebp        // 寄存器ebp中保存棧幀
(第3條指令)   3:        53                      push   %ebx
(第4條指令)   4:        83 ec 10                sub    $0x10,%esp       // 這里留出16字節(jié)保存局部變量
(第5條指令)   7:        8b 45 08                mov    0x8(%ebp),%eax   // v的地址
(第6條指令)   a:        8b 55 08                mov    0x8(%ebp),%edx   // 忽略
(第7條指令)   d:        f0 ff 08                decl   (%eax)           // v--
(第8條指令)  10:        0f 94 c3                sete   %bl              // 如果ZF的值為1就將bl設(shè)置為1 (如果v的計數(shù)減到0了就將bl設(shè)置為1).
(第9條指令)  13:        88 5d fb                mov    %bl,-0x5(%ebp)   // 將bl的值保存到堆棧中
(第10條指令)  16:       80 7d fb 00             cmpb   $0x0,-0x5(%ebp)  // 比較bl是否為0  (b的實際值是1)
(第11條指令)  1a:       0f 95 c0                setne  %al              // 如果bl!=0，就將al設(shè)置為1;否則將al設(shè)置為0. (顯然，現(xiàn)在al=1)
(第12條指令)  1d:       0f b6 c0                movzbl %al,%eax         // 將寄存器eax高24位設(shè)置為0.
(第13條指令)  20:       83 c4 10                add    $0x10,%esp
(第14條指令)  23:       5b                      pop    %ebx
(第15條指令)  24:       5d                      pop    %ebp
(第16條指令)  25:       c3                      ret

其中第7條指令執(zhí)行v--操作，并且把結(jié)果寫到內(nèi)存中了。假設(shè)執(zhí)行atomic_dec_and_test()之前v的值是1，那么現(xiàn)在v的值就是0了。同樣，進程可以在這個時候被切換（執(zhí)行了第7條指令，沒有執(zhí)行第8條指令）。假設(shè)切換到了另一個進程，并且另一個進程執(zhí)行了atomic_inc()（這個函數(shù)執(zhí)行v++），這時v==1，表示這個資源仍然在使用，然后切換回開始的進程。由于從8條指令開始，后面的指令已經(jīng)跟v沒有關(guān)系了。根據(jù)第8-16條指令的執(zhí)行過程可以看出，最后atomic_dec_and_test()的結(jié)果是true。true表示這個資源已經(jīng)不被使用了，可以釋放了（比如清除內(nèi)存等）。但是實際上v的值是1，因為有另外一個進程在使用這個資源。如果把這個資源釋放了，那么不就出錯了嗎？？？？？？

ycnian

其實不用考慮4樓這么極端的情況。一般情況下，資源釋放不會是原子操作

........
if (atomic_dec_and_test()) {
    // 開始釋放資源
    // 仍然在釋放資源
    .......
    // 資源釋放完了
    return;
}
........

進程在釋放資源的過程中同樣可能被切換到另外一個進程，另外一個進程執(zhí)行atomic_inc()，開始使用這個資源。切換回原來的進程后，繼續(xù)釋放資源，就出錯了。內(nèi)核不會這么弱智的，應(yīng)該在其他層面進行了保護，只是我還沒有看到而已（估計是自旋鎖或者信號量），接著看代碼。也歡迎大家?guī)臀沂崂硎崂�，謝謝。

unbutun

原子性都是cpu匯編指令保證的，和編程一樣檢查標(biāo)志位，然后cpu內(nèi)部多核保持一致

單核不用保證原子性

longddr

按照定義，atomic操作就應(yīng)該是不被中斷打斷也不會有上下文的切換，否則就不叫原子操作可。會不會樓主的反匯編代碼有誤。理論上講，這么多步的操作，要想達(dá)到atomic效果，至少應(yīng)該有關(guān)中斷的指令

asuka2001

static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
        unsigned long flags;
        int val;

        raw_local_irq_save(flags);
        val = v->counter;
        v->counter = val += i;
        raw_local_irq_restore(flags);

        return val;
}
#define atomic_add(i, v)        (void) atomic_add_return(i, v)


摘抄于3.10.1，arch/arm/include/asm/atomic.h，不知道LZ是哪個內(nèi)核版本的代碼？

ycnian

回復(fù) 8# asuka2001
我看的X86架構(gòu)的代碼，內(nèi)核版本是3.6.0，我發(fā)現(xiàn)自己以前對內(nèi)核同步的理解有誤。


   

hmsghnh

ycnian 發(fā)表于 2013-09-07 18:50
不過我又有新問題了，看另外一個函數(shù)int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)，這個函數(shù)對v進行減1操作。如果 ...

所以atomic_inc的返回值必須大于1才行，如果atomic_inc都是1，那么你引用的資源本來就是0，那個資源早就是無效的了。
常用做的get 和put 操作的指針的引用計數(shù)時，這個是可以保證的，因為get的時候肯定是從另外一個有效的指針來做atomic_inc的，