?前段時間重新研究了一下Linux的并發控制機制，對于內核的自旋鎖、互斥鎖、信號量等機制及其變體做了底層代碼上的研究。因為只有從原理上理解了這些機制，在編寫驅動的時候才會記得應該注意什么。這些機制基本都從代碼上理解了，但是唯有一個不是非常理解的是內核對于ARM構架中原子變量的底層支持，這個機制其實在自旋鎖、互斥鎖以及讀寫鎖等內核機制中都有類似的使用。這里將學習的結果寫出，請大家指正。

? ? 假設原子變量的底層實現是由一個匯編指令實現的，這個原子性必然有保障。但是如果原子變量的實現是由多條指令組合而成的，那么對于SMP和中斷的介入會不會有什么影響呢？我在看ARM的原子變量操作實現的時候，發現其是由多條匯編指令（ldrex/strex）實現的。在參考了別的書籍和資料后，發現大部分書中對這兩條指令的描訴都是說他們是支持在SMP系統中實現多核共享內存的互斥訪問。但在UP系統中使用，如果ldrex/strex和之間發生了中斷，并在中斷中也用ldrex/strex操作了同一個原子變量會不會有問題呢？就這個問題，我認真看了一下內核的ARM原子變量源碼和ARM官方對于ldrex/strex的功能解釋，總結如下：

?

一、ARM構架的原子變量實現結構

? ? 對于ARM構架的原子變量實現源碼位于：arch/arm/include/asm/atomic.h

? ? 其主要的實現代碼分為ARMv6以上（含v6）構架的實現和ARMv6版本以下的實現。

該文件的主要結構如下：

#if?__LINUX_ARM_ARCH__?>=?6

......(通過ldrex/strex指令的匯編實現)

#else?/*?ARM_ARCH_6?*/

#ifdef CONFIG_SMP

#error?SMP?not?supported?on?pre-ARMv6 CPUs

#endif

......(通過關閉CPU中斷的C語言實現)

#endif?/*?__LINUX_ARM_ARCH__?*/

......?

?#ifndef CONFIG_GENERIC_ATOMIC64

......(通過ldrexd/strexd指令的匯編實現的64bit原子變量的訪問)

#else?/*?!CONFIG_GENERIC_ATOMIC64?*/

#include?<asm-generic/atomic64.h>

#endif

#include?<asm-generic/atomic-long.h>

? ? ??這樣的安排是依據ARM核心指令集版本的實現來做的：

（1）在ARMv6以上（含v6）構架有了多核的CPU，為了在多核之間同步數據和控制并發，ARM在內存訪問上增加了獨占監測（Exclusive monitors）機制（一種簡單的狀態機），并增加了相關的ldrex/strex指令。請先閱讀以下參考資料（關鍵在于理解local monitor和Global monitor）：

1.2.2.?Exclusive monitors

4.2.12.?LDREX?和?STREX

（2）對于ARMv6以前的構架不可能有多核CPU，所以對于變量的原子訪問只需要關閉本CPU中斷即可保證原子性。?

對于（2），非常好理解。

但是（1）情況，我還是要通過源碼的分析才認同這種代碼，以下我僅僅分析最具有代表性的atomic_add源碼，其他的API原理都一樣。如果讀者還不熟悉C內嵌匯編的格式，請參考《ARM GCC?內嵌匯編手冊》

?

二、內核對于ARM構架的atomic_add源碼分析

/*

*?ARMv6 UP 和 SMP 安全原子操作。 我們是用獨占載入和

*?獨占存儲來保證這些操作的原子性。我們可能會通過循環

*?來保證成功更新變量。

*/

static inline void atomic_add(int?i,?atomic_t?*v)

{

unsigned long tmp;

int?result;

__asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"

"1: ldrex %0, [%3]\n"

" add %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");

}

源碼分析：?

注意：根據內聯匯編的語法，result、tmp、&v->counter對應的數據都放在了寄存器中操作。如果出現上下文切換，切換機制會做寄存器上下文保護。

?（1）ldrex %0, [%3]

意思是將&v->counter指向的數據放入result中，并且（分別在Local monitor和Global monitor中）設置獨占標志。

（2）add %0, %0, %4

result = result + i

（3）strex %1, %0, [%3]

意思是將result保存到&v->counter指向的內存中，此時?Exclusive monitors會發揮作用，將保存是否成功的標志放入tmp中。

（4）?teq %1, #0

測試strex是否成功（tmp == 0?？？）

（5）bne 1b

如果發現strex失敗，從（1）再次執行。

? ? ??通過上面的分析，可知關鍵在于strex的操作是否成功的判斷上。而這個就歸功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的機制。以下通過可能的情況分析ldrex/strex指令機制。（請閱讀時參考4.2.12.?LDREX?和?STREX）

?

1、UP系統或SMP系統中變量為非CPU間共享訪問的情況?

? ? 此情況下，僅有一個CPU可能訪問變量，此時僅有Local monitor需要關注。

? ? 假設CPU執行到（2）的時候，來了一個中斷，并在中斷里使用ldrex/strex操作了同一個原子變量。則情況如下圖所示：

• A：處理器標記一個物理地址，但訪問尚未完畢
• B：再次標記此物理地址訪問尚未完畢（與A重復）
• C：進行存儲操作，清除以上標記，返回0（操作成功）
• D：不會進行存儲操作，并返回1（操作失敗）?

也就是說，中斷例程里的操作會成功，被中斷的操作會失敗重試。?

?

2、SMP系統中變量為CPU間共享訪問的情況

??

? ? 此情況下，需要兩個CPU間的互斥訪問，此時ldrex/strex指令會同時關注Local monitor和Global monitor。

（i）兩個CPU同時訪問同個原子變量（ldrex/strex指令會關注Global monitor。）

• A：將該物理地址標記為CPU0獨占訪問，并清除CPU0對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• B：標記此物理地址為CPU1獨占訪問，并清除CPU1對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• C：沒有標記為CPU0獨占訪問，不會進行存儲，并返回1（操作失敗）。
• D：已被標記為CPU1獨占訪問，進行存儲并清除獨占訪問標記，并返回0（操作成功）。

?也就是說，后執行ldrex操作的CPU會成功。

?

（ii）同一個CPU因為中斷，“嵌套”訪問同個原子變量（ldrex/strex指令會關注Local monito）

• A：將該物理地址標記為CPU0獨占訪問，并清除CPU0對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• B：再次標記此物理地址為CPU0獨占訪問，并清除CPU0對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• C：已被標記為CPU0獨占訪問，進行存儲并清除獨占訪問標記，并返回0（操作成功）。
• D：沒有標記為CPU0獨占訪問，不會進行存儲，并返回1（操作失敗）。

也就是說，中斷例程里的操作會成功，被中斷的操作會失敗重試。

?

（iii）兩個CPU同時訪問同個原子變量，并同時有CPU因中斷“嵌套”訪問改原子變量（ldrex/strex指令會同時關注Local monitor和Global monitor）

雖然對于人來說，這種情況比較BT。但是在飛速運行的CPU來說，BT的事情隨時都可能發生。

• A：將該物理地址標記為CPU0獨占訪問，并清除CPU0對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• B：標記此物理地址為CPU1獨占訪問，并清除CPU1對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• C：再次標記此物理地址為CPU0獨占訪問，并清除CPU0對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
• D：已被標記為CPU0獨占訪問，進行存儲并清除獨占訪問標記，并返回0（操作成功）。
• E：沒有標記為CPU1獨占訪問，不會進行存儲，并返回1（操作失敗）。
• F：沒有標記為CPU0獨占訪問，不會進行存儲，并返回1（操作失敗）。

?

? ? 當然還有其他許多復雜的可能，也可以通過ldrex/strex指令的機制分析出來。從上面列舉的分析中，我們可以看出：ldrex/strex可以保證在任何情況下（包括被中斷）的訪問原子性。所以內核中ARM構架中的原子操作是可以信任的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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