GCC 提供的原子操作总结

秒速五厘米 2022-09-21 11:38 193阅读 0赞

gcc从4.1.2提供了\_\_sync\_\*系列的built-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作。  
  
其声明如下：

type \_\_sync\_fetch\_and\_add (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_fetch\_and\_sub (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_fetch\_and\_or (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_fetch\_and\_and (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_fetch\_and\_xor (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_fetch\_and\_nand (type  \* ptr, type value, ...)  
  
  
type \_\_sync\_add\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_sub\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_or\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_and\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_xor\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)  
type \_\_sync\_nand\_and\_fetch (type  \* ptr, type value, ...)

这两组函数的区别在于第一组返回更新前的值，第二组返回更新后的值。  
  
type可以是1,2,4或8字节长度的int类型，即：

int8\_t  /  uint8\_t  
int16\_t  /  uint16\_t  
int32\_t  /  uint32\_t  
int64\_t  /  uint64\_t

后面的可扩展参数(...)用来指出哪些变量需要memory barrier,因为目前gcc实现的是full barrier（类似于linux kernel 中的mb(),表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排序到这个操作之后）,所以可以略掉这个参数。

bool  \_\_sync\_bool\_compare\_and\_swap (type  \* ptr, type oldval type newval, ...)  
type \_\_sync\_val\_compare\_and\_swap (type  \* ptr, type oldval type newval, ...)

这两个函数提供原子的比较和交换，如果\*ptr == oldval,就将newval写入\*ptr,  
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.  
第二个函数在返回操作之前的值。

\_\_sync\_synchronize (...)

发出一个full barrier.  
  
关于memory barrier,cpu会对我们的指令进行排序，一般说来会提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望得到的结果，举一个例子，比如我们有一个硬件设备，它有4个寄存器，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令（比如READ），两个寄存器存的是参数（比如是地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

write1(dev.register\_size,size);  
    write1(dev.register\_addr,addr);  
    write1(dev.register\_cmd,READ);  
    write1(dev.register\_control,GO);

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

write1(dev.register\_size,size);  
    write1(dev.register\_addr,addr);  
    write1(dev.register\_cmd,READ);  
    \_\_sync\_synchronize();  
    write1(dev.register\_control,GO);

memory barrier有几种类型：  
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。  
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后 (linux kernel中的rmb())。  
    full barrier    : 以上两种barrier的合集(linux kernel中的mb())。  
  
  
还有两个函数：  
  
type \_\_sync\_lock\_test\_and\_set (type \*ptr, type value, ...)  
   将\*ptr设为value并返回\*ptr操作之前的值。  
  
void \_\_sync\_lock\_release (type \*ptr, ...)  
     将\*ptr置0  
  
  
示例程序：

\#include  < stdio.h >   
\#include  < pthread.h >   
\#include  < stdlib.h >   
  
 static   int  count  =   0 ;  
  
  
 void   \* test\_func( void   \* arg)  
\{  
         int  i = 0 ;  
         for (i = 0 ;i < 20000 ; \++ i)\{  
                \_\_sync\_fetch\_and\_add( & count, 1 );  
        \}  
         return  NULL;  
\}  
  
 int  main( int  argc,  const   char   \* argv\[\])  
\{  
        pthread\_t id\[ 20 \];  
         int  i  =   0 ;  
  
         for (i = 0 ;i < 20 ; \++ i)\{  
                pthread\_create( & id\[i\],NULL,test\_func,NULL);  
        \}  
  
         for (i = 0 ;i < 20 ; \++ i)\{  
                pthread\_join(id\[i\],NULL);  
        \}  
  
        printf( " %d\\n " ,count);  
         return   0 ;  
\}