原子变量原理剖析

一、原子操作

原子操作保证指令以原子的方式执行，执行过程不被打断。先看一个实例，如下所示，如果thread_func_a和thread_func_b同时运行，执行完成后，i的值是多少？

`// test.c
static int i = 0;

void thread_func_a()
{
        i++;
}
void thread_func_b()
{
        i++;
}`

有的读者认为是2，也有的读者认为是1，在给出正确的结果之前，我们先看下这段代码的汇编：

// aarch64-linux-gnu-gcc -S test.c
// vim test.s
.LFB0:
        .cfi_startproc
        adrp    x0, i
        add     x0, x0, :lo12:i 
        ldr     w0, [x0]        // 加载内存地址为x0寄存器的值，也就是i的值到w0寄存器
        add     w1, w0, 1       // 将w0寄存器的值与1相加，结果存在w1寄存器
        adrp    x0, i
        add     x0, x0, :lo12:i
        str     w1, [x0]        // 把w1寄存器的值，加载到x0所在的地址
        nop
        ret
        .cfi_endproc
...

可以看到虽然在我们写的代码中，i++只有一条指令，实际上汇编指令需要三条：

加载内存地址的值
修改变量的值
将修改后的值写回原先的地址

两个cpu在执行过程中，顺序是随机的，结果也是随机的，这里为了更直观，给大商家列一下实际可能的执行顺序，以及对应的结果：

可能的结果：i = 2，执行顺序如下：

可能的结果：i = 1，执行顺序如下

针对上面的问题，linux提供了atomic_t类型的原子变量来解决，它可以保证对一个整形数据的原子性。

在内核看来，原子操作函数就像一条汇编语句，保证了操作时不被打断，如上述i++语句就可能被打断，要保证操作的原子性，通常需要原子地（不间断地）完成"读-修改-回写"机制，中间不能被打断。

二、原子变量

linux提供了atomic_t类型的原子变量，它的实现依赖于不同的架构，不同处理器的实现方式不一样。我们首先看下都有哪些原子操作可供使用，然后再针对arm64的实现方式进行解读（其他架构原理都类似，大家自己揣摩）。

2.1 原子操作函数

linux内核提供了很多操作原子变量的函数，了解这些内容，方便我们后续使用。我们以arm64为例进行讲解。

2.1.1 基本原子操作函数

接口：
ATOMIC_INIT(i)
atomic_read(const atomic_t *v)
atomic_set(atomic_t *v, int i)
实现：
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h

#define arch_atomic_read(v)             __READ_ONCE((v)->counter)
#define arch_atomic_set(v, i)           __WRITE_ONCE(((v)->counter), (i))

2.1.2 不带返回值的原子操作函数

接口：
atomic_add(i, v)
atomic_sub(i, v)
atomic_and(i, v)
atomic_or(i, v)
atomic_xor(i, v)
atomic_andnot(i, v)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h

#define ATOMIC_OP(op)                           \
static __always_inline void arch_##op(int i, atomic_t *v)       \
{                                   \
    __lse_ll_sc_body(op, i, v);                 \
}

ATOMIC_OP(atomic_andnot)
ATOMIC_OP(atomic_or)
ATOMIC_OP(atomic_xor)
ATOMIC_OP(atomic_add)
ATOMIC_OP(atomic_and)
ATOMIC_OP(atomic_sub)

2.1.3 带返回值的原子操作

linux内核提供了两类带返回值的原子操作函数，一类返回原子变量的新值，一类返回原子变量的旧值。然会原子变量新值的原子操作函数如下。

接口：
atomic_add_return(i, v)
atomic_sub_return(i, v)
实现；
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h

#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op)                   \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v)      \
{                                   \
    return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v);            \
}

ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)
返回原子变量旧值的原子操作函数如下：
接口：
atomic_fetch_add(i, v)
atomic_fetch_sub(i, v)
atomic_fetch_and(i, v)
atomic_fetch_or(i, v)
atomic_fetch_xor(i, v)
atomic_fetch_andnot(i, v)
实现：
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h
#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op)                   \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v)      \
{                                   \
    return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v);            \
}

ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)

3.1.4 内嵌内存屏障的原子操作函数

接口：

{}_relexd     // 不内嵌内存屏障原语
{}_acquire    // 内置加载-获取内存屏障原语
{}_release    // 内置存储-释放内存屏障原语
实现：
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h

#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op)                   \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v)      \
{                                   \
    return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v);            \
}

#define ATOMIC_FETCH_OPS(op)                        \
    ATOMIC_FETCH_OP(_relaxed, op)                   \
    ATOMIC_FETCH_OP(_acquire, op)                   \
    ATOMIC_FETCH_OP(_release, op)                   \
    ATOMIC_FETCH_OP(        , op)

ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)

2.2 原子操作的实现

2.2.1 原子操作的实现

原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持，在不同的处理器体系结构上，原子操作会有不同的实现，例如在x86体系结构下，通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。目前在ARMv8体系结构下支持两种方式来实现原子操作：

一种是经典的独占内存访问机制，也叫做LL/SC（Load-Link/Store-Conditional），早期ARM体系结构下的原子操作都是基于这种方式实现；
另一种是ARMv8.1体系结构上新增的LSE（Large System Extension）扩展，LSE提供了多种原子内存访问操作指令。

具体选择哪一种，CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS决定

// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/lse.h
#ifdef CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS

#define __LSE_PREAMBLE  ".arch_extension lse\n"

#include <linux/compiler_types.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/stringify.h>
#include <asm/alternative.h>
#include <asm/alternative-macros.h>
#include <asm/atomic_lse.h>
#include <asm/cpucaps.h>

#define __lse_ll_sc_body(op, ...)                   \
({                                  \
    alternative_has_cap_likely(ARM64_HAS_LSE_ATOMICS) ?     \
        __lse_##op(__VA_ARGS__) :               \
        __ll_sc_##op(__VA_ARGS__);              \
})

/* In-line patching at runtime */
#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse)                \
    ALTERNATIVE(llsc, __LSE_PREAMBLE lse, ARM64_HAS_LSE_ATOMICS)

#else   /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */

#define __lse_ll_sc_body(op, ...)       __ll_sc_##op(__VA_ARGS__)

#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse)    llsc

#endif  /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */
#endif  /* __ASM_LSE_H */

2.2.2 ll/sc方式

LL/SC机制使用多个指令，并且每个处理器都需要实现一个专有监视器，LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。首先看下ARMv8体系结构提供的独占内存访问指令。

独占内存访问指令

ARMv8体系结构实现的独占内存访问指令为LDXR/STXR：

LDXR：内存独占加载指令，它从内存中以独占方式加载内存地址的值到寄存器中；
STXR：内存独占存储指令，它以独占的方式把数据存储到内存中。 LDXR/STXR的指令格式如下：

ldxr <xt>, [xn | sp]
stxr <ws>, <xt>, [xn | sp]

多字节独占内存访问指令

LDXP和STXP指令是多字节独占内存访问指令，一条指令可以独占地加载和存储16字节。

ldxp    <xt1>, <xt2>, [xn | sp]
stxp    <ws>, <xt1>, <xt2>, [<xn | sp>]

独占监视器

独占监视器是一个硬件状态机，用于跟踪读-修改-写序列，并支持Load和Store操作。当CPU执行LDXR指令时，独占监视器会把对应内存地址标记为独占访问模式，保证以独占的方式来访问这个内存地址；而STXR是有条件的存储指令，当CPU执行STRX指令将新数据写入到LDXR指令标记的独占访问内存地址时，会根据独占监视器的状态来进行处理：

若独占监视器为独占访问状态，那么STRX指令执行成功，并且独占监视器会切换状态到开放访问状态；
若独占监视器为开放访问状态，则STRX指令执行失败，数据无法存储。

ARMv8体系提供了三类独占监视器：

本地独占监视器
内部缓存一致性全局独占监视器
外部全局独占监视器

这些独占监视器分别位于系统存储结构的不同层次，如下

atomic_op实现：
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h
#define ATOMIC_OP(op, asm_op, constraint)               \
static __always_inline void                             \
__ll_sc_atomic_##op(int i, atomic_t *v)                 \
{                                                       \
    unsigned long tmp;                                  \
    int result;                                         \
                                                        \
    asm volatile("// atomic_" #op "\n"                  \
    "   prfm    pstl1strm, %2\n"                        \
    "1: ldxr    %w0, %2\n"                              \
    "   " #asm_op " %w0, %w0, %w3\n"                    \
    "   stxr    %w1, %w0, %2\n"                         \
    "   cbnz    %w1, 1b\n"                              \
    : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Q" (v->counter)    \
    : __stringify(constraint) "r" (i));                 \
}

第11行：将v->counter的值以内存独占加载的方式存储到w0寄存器，即result = v->counter

第12行：将w0的值和i的值操作（add/sub等）结果保存在w0，即result = result + i

第13行：将w0的值写回v->counter，成功的为给w1赋0，否则等于1

第14行：判断temp的值，为0代表成功；为1代表失败，跳转到ldxr。

说白了，这里也是一个自旋

2.2.3 lse方式

在ARMV8.1指令集中增加了一些新的原子操作指令，可以一个指令实现整形运算。

新增的整形原子指令：

接口：
stclr
stset
steor
stadd

实现：
#define ATOMIC_OP(op, asm_op)                       \
static __always_inline void                     \
__lse_atomic_##op(int i, atomic_t *v)                   \
{                                   \
    asm volatile(                           \
    __LSE_PREAMBLE                          \
    "   " #asm_op " %w[i], %[v]\n"              \
    : [v] "+Q" (v->counter)                     \
    : [i] "r" (i));                         \
}

ATOMIC_OP(andnot, stclr)
ATOMIC_OP(or, stset)
ATOMIC_OP(xor, steor)
ATOMIC_OP(add, stadd)

三、总结

本篇文章首先根据一个真实的事例引出原子操作要解决的问题，然后对linux提供的原子操作的众多接口进行了解释说明，最后对arm架构上的两种原子操作的实现方式原理LL/SC、LSE进行了剖析。经过上面的学习，大家应该已经了解原子变量的使用场景以及内部的实现机理。

参考： https://jishuzhan.net/article/1763876122459639809

《奔跑吧，linux内核-卷一基础架构》

《奔跑吧，linux内核-卷二调试与案例分析》

下篇文章，将经典自旋锁进行解读，敬请期待 。

一个专注于"嵌入式知识分享"、"DIY嵌入式产品"的技术开发人员，关注我，一起共创嵌入式联盟。