Linux Kernel(armv8-aarch64) 的原子操作的底層實(shí)現(xiàn)

通常我們代碼中的a = a + 1這樣的一行語句，翻譯成匯編后蘊(yùn)含著 3 條指令:

ldr x0, &a  
add x0,x0,#1  
str x0,&a

即
(1) 從內(nèi)存中讀取 a 變量到 X0 寄存器
(2)X0 寄存器加 1
(3) 將 X0 寫入到內(nèi)存 a 中

既然是 3 條指令，那么就有可能并發(fā)，也就意味著返回的結(jié)果可能不說預(yù)期的。

然后在 linux kernel 的操作系統(tǒng)中，提供訪問原子變量的函數(shù)，用來解決上述問題。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)

那么操作系統(tǒng) (僅僅是軟件而已) 是如何保證原子操作的呢？（還是得靠硬件），硬件原理是什么呢？

以上的那些 API 函數(shù)，在底層調(diào)用的其實(shí)都是如下__lse_atomic_add_return##name宏的封裝，這段代碼中最核心的也就是ldadd指令了，這是 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;                            
}

那么系統(tǒng)如果沒有 LSE 擴(kuò)展呢，即 armv8.0，其實(shí)現(xiàn)的原型如下所示，這段代碼中最核心的也就是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("http:// 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 是怎樣實(shí)現(xiàn)的？如下所示， 這段代碼中最核心的也就是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");                            
}

總結(jié)：

在很早期，使用 arm 的 exclusive 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的原子操作，exclusive 相關(guān)的指令也就是ldrex、strex了，但在 armv8 后，exclusive 機(jī)制的指令發(fā)生了變化變成了ldxr、stxr。

但是又由于在一個(gè)大系統(tǒng)中，處理器是非常多的，競爭也激烈，使用獨(dú)占的存儲(chǔ)和加載指令可能要多次嘗試才能成功，性能也就變得很差，在 armv8.1 為了解決該問題，增加了ldadd等相關(guān)的原子操作指令。