1、原子操作

1.1、概念

原子操作提供了指令原子执行，中间没有中断。就像原子被认为是不可分割颗粒一样，原子操作（atomic operation）是不可分割的操作。

1.2、事例

假如现在要对无符号整形变量 a 赋值，值为 3，对于 C 语言来讲很简单，直接就是：

a=3

但是 C 语言要先编译为成汇编指令， ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如要借助寄存器 R0、 R1 等来完成赋值操作。假设变量 a 的地址为 0X3000000，“a=3”这一行 C语言可能会被编译为如下所示的汇编代码：

ldr r0, =0X30000000         /* 变量 a 地址 */
ldr r1, = 3                 /* 要写入的值 */
str r1, [r0]                 /* 将 3 写入到 a 变量中 */

从上述代码可以看出， C 语言里面简简单单的一句“a=3”，编译成汇编文件以后变成了 3 句，那么程序在执行的时候肯定是按照示例代码 47.2.1.1 中的汇编语句一条一条的执行。假设现在线程 A要向 a 变量写入 3 这个值，而线程 B 也要向 a 变量写入 30 这个值，我们理想中的执行顺序如下图所示：
在这里插入图片描述

理想情况如上图所示，A线程先给a赋值给30，B线程再给a赋值为30.

但是它一共是六条语句，实际执行时可能是如下情况：

在这里插入图片描述
线程 A 最终将变量 a 设置为了 30，而并不是要求的 3！线程B 没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就要保证示例代码中的三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。 Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能， Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些 API 函数。

1.3、原子操作结构体介绍

Linux 内核定义了叫做 atomic_t 的结构体来完成整形数据的原子操作，在使用中用原子变量来代替整形变量，此结构体定义在 include/linux/types.h 文件中，定义如下：

/*32位系统下*/
typedef struct { 
    int counter;
} atomic_t;
/*64位系统下*/
#ifdef CONFIG_64BIT
typedef struct { 
    long counter;
} atomic64_t;
#endif

1.4、原子操作的使用

1.4.1、定义

atomic_t a; //定义 a

1.4.2、初始化

可以通过宏 ATOMIC_INIT 向原子变量赋初值。

atomic_t a = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 a 并赋初值为 0

1.5、原子整形操作 API 函数

对原子变量进行操作，比如读、写、增加、减少等等， Linux 内核提供了大量的原子操作 API 函数，如下表所示：

API	含义
ATOMIC_INIT(int i)	定义原子变量的时候对其初始化。
int atomic_read(atomic_t v)	读取 v 的值，并且返回。
void atomic_set(atomic_t v, int i)	向 v 写入 i 值。
void atomic_add(int i, atomic_t v)	给 v 加上 i 值。
void atomic_sub(int i, atomic_t v)	从 v 减去 i 值。
void atomic_inc(atomic_t v)	给 v 加 1，也就是自增。
void atomic_dec(atomic_t v)	从 v 减 1，也就是自减
int atomic_dec_return(atomic_t v)	从 v 减 1，并且返回 v 的值。
int atomic_inc_return(atomic_t v)	给 v 加 1，并且返回 v 的值。
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t v)	从 v 减 i，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_dec_and_test(atomic_t v)	从 v 减 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_inc_and_test(atomic_t v)	给 v 加 1，如果结果为 0 就返回真，否则返回假
int atomic_add_negative(int i, atomic_t v)	给 v 加 i，如果结果为负就返回真，否则返回假

相应的也提供了 64 位原子变量的操作 API 函数，这里我们就不详细讲解了，和表中的 API 函数有用法一样，只是将“atomic_”前缀换为“atomic64_”，将 int 换为 long long。如果使用的是 64 位的 SOC，那么就要使用 64 位的原子操作函数。

1.5.1、事例

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);         /* 定义并初始化原子变零 v=0 */
atomic_set(10);                     /* 设置 v=10 */
atomic_read(&v);                     /* 读取 v 的值，肯定是 10 */
atomic_inc(&v);                     /* v 的值加 1， v=11 */

1.6、原子位操作 API 函数

位操作也是很常用的操作， Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作，API 函数如表所示：

API	描述
void set_bit(int nr, void p)	将 p 地址的第 nr 位置 1。
void clear_bit(int nr,void p)	将 p 地址的第 nr 位清零。
void change_bit(int nr, void p)	将 p 地址的第 nr 位进行翻转。
int test_bit(int nr, void p)	获取 p 地址的第 nr 位的值。
int test_and_set_bit(int nr, void p)	将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_clear_bit(int nr, void p)	将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。
int test_and_change_bit(int nr, void *p)	将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。