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原子操作实战指南:Linux内核7.0最轻量的并发控制

  • 2026-10-11 07:32:31
原子操作实战指南:Linux内核7.0最轻量的并发控制

原子操作实战指南:Linux内核7.0最轻量的并发控制

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前言:为什么简单的a = 3并不简单

上一节我们花了很大力气去识别「谁是危险分子」。一旦你找到了那个需要保护的共享变量——比如一个记录设备打开次数的全局计数器——你面临的第一道防线就是原子操作。

它是内核中最轻量级的保护机制,轻到有时候你甚至感觉不到它的存在,但它解决的却是并发世界里最本质的崩坏问题:「读取—修改—写入」这三步,绝对不能被打断。

老实说,我在刚开始写驱动的时候,对这个概念是完全不理解的。我当时想:「不就是个计数器吗?counter++能有什么问题?」

然后我就收获了人生中第一个Kernel Panic。然后打开日志一看——不是哥们,怎么这些值变得面目全非的???后来知道了——啊哈,并发是你干的!

从C语言到汇编:理解为什么a++不是原子的

先抛开内核的术语,我们从最直觉的一个误解开始。

在C语言里,给变量加1是天经地义的:

a++;

这一行代码在你眼里是不可分割的一步。但在CPU眼里,它不是。

绝大多数现代架构(包括我们用的ARM)都不能直接对内存变量进行自增操作。这事儿必须通过寄存器中转。假设变量a存放在内存地址0x30000000,编译器把上面那行优雅的C语言编译成汇编后,实际上变成了三件事:

  1. 把变量a的值从内存读入寄存器r0
  2. 在寄存器r0里加1
  3. 把r0的值写回内存地址

对应的ARM汇编代码大概长这样:

ldr r0, [r1]          /* 从内存读取 a 的值到 r0 */add r0, r0, #1        /* r0 = r0 + 1 */str r0, [r1]          /* 把 r0 写回内存 */

这三条指令,就是CPU眼里的「三步」。

这有什么问题?

单线程世界没问题。但在并发世界里,这就是世界崩塌的开始。

想象一下,现在有两个线程,线程A想把a加1,线程B也想把a加1。如果没有保护,理想中的执行顺序应该是这样的:

线程A走完三步(a变成了1)→ 线程B再走完三步(a变成了2)。最终a是2。

这很完美,谁也不干扰谁。但现实是残酷的,CPU的调度是随机的。真正的执行流程很可能是这样交错的:

线程A执行了第1步(读取a=0)

← 调度发生!切到线程B

线程B执行完了全部三步(把a设为了1)

← 调度切回线程A

线程A继续执行第2、3步(把a设为1)

结果是什么? 线程B的工作白干了。最终a的值是1,而不是预期的2。

这就是竞争。它之所以会发生,是因为C语言里的「一步」,在机器层面变成了「三步」。这三步如果不打包在一起执行,谁插一脚进来,数据就乱了。

要解决这个问题,核心思路只有一个:把这三步强行捏合成一个不可分割的整体。这就是「原子操作」名字的由来——像原子一样不可再分,要么全做完,要么别做。

环境:基于Linux 7.0-rc4

项目
版本/信息
内核版本
Linux 7.0-rc4 (主线内核)
架构
ARMv7-A
相关头文件
include/linux/atomic.h

原子整形操作:不是所有的int都能直接用

在内核里,你不能随便拿个int变量就开始原子操作。内核用了一个专门的结构体来承载这种「不可分割」的属性,叫atomic_t。

它在include/linux/types.h里的定义非常朴素:

typedefstruct {int __aligned(sizeof(int)) counter;} atomic_t;#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

为什么要包一层结构体,而不是直接用int?

这是为了强制类型检查,防止你一不小心把它当成普通整数传给了不支持原子的函数(比如++i这种C语言操作)。把它封装起来,就是在提醒使用者:「这玩意儿特殊,请走专用通道。」

而且,__aligned(sizeof(int))这个对齐修饰符也很重要。它确保原子变量总是按照int的大小对齐的,这对于某些架构的原子操作指令是必需的。

定义与初始化

怎么用?首先定义原子变量。

最简单的定义方式:

atomic_t a;  /* 定义一个原子变量 a */

通常我们在定义的时候就要给它赋个初值,这时候要用专用宏ATOMIC_INIT:

atomic_t b = ATOMIC_INIT(0);  /* 定义 b 并初始化为 0 */

在Linux 7.0中,你还可以使用新的初始化方式:

atomic_t c = ATOMIC_INIT(0);  /* 静态初始化 *//* 或者动态初始化 */atomic_set(&c, 0);  /* 运行时设置 */

常用操作 API

一旦你有了atomic_t变量,以后对它的所有读写改,都不能再直接用=号或++了,必须通过内核提供的函数表。

下面的表格请务必多看两眼,这是驱动开发的「高频词汇表」:

函数
描述
ATOMIC_INIT(int i)初始化
宏,定义原子变量时用它来赋初值
int atomic_read(atomic_t *v)读
:读取v的值并返回
void atomic_set(atomic_t *v, int i)写
:向v写入i值(注意,这本身是原子的)
void atomic_add(int i, atomic_t *v)加
:给v加上i
void atomic_sub(int i, atomic_t *v)减
:从v减去i
void atomic_inc(atomic_t *v)自增
:给v加1(相当于i++)
void atomic_dec(atomic_t *v)自减
:从v减1(相当于i--)
int atomic_dec_return(atomic_t *v)减并返回
:v减1,并且返回新值
int atomic_inc_return(atomic_t *v)加并返回
:v加1,并且返回新值
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)减并测试
:v减i,如果结果为0返回真,否则假
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)减一并测试
:v减1,如果结果为0返回真(常用于引用计数归零检测)
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)加一并测试
:v加1,如果结果为0返回真(极少用)
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)加并测负
:v加i,如果结果是负数返回真

Linux 7.0新增:内存顺序变体

在Linux 7.0中,原子操作API有了一个重要的扩展:内存顺序变体。

这是为了支持更精细的内存屏障控制,特别是在ARM这样的弱内存序架构上。新的API带有后缀:

  • _relaxed
     - 无序访问,性能最好
  • _acquire
     - 获取语义,保证之后的操作不会被重排到前面
  • _release
     - 释放语义,保证之前的操作不会被重排到后面
  • 无后缀 - 完全有序,默认版本

例如:

/* 完全有序(默认) */int val = atomic_read(&v);/* 松散序(性能最好,但无顺序保证) */int val = atomic_read_relaxed(&v);/* 获取序 */int val = atomic_read_acquire(&v);/* 释放序 */atomic_set_release(&v, 10);

⚠️ 注意

对于大多数驱动代码,使用默认的完全有序版本就足够了。内存序优化是高级主题,只有在确实需要 squeezing out 性能时才考虑。

实战片段:引用计数管理

把这些串起来,代码段大概是这样的:

/* 定义并初始化原子变量 */atomic_t ref_count = ATOMIC_INIT(1);  /* 初始引用计数为1 *//* 获取引用 */voidget_ref(void) {atomic_inc(&ref_count);  /* 引用计数加1 */}/* 释放引用 */voidput_ref(void) {/* 如果这是最后一个引用,清理资源 */if (atomic_dec_and_test(&ref_count)) {/* ref_count减1后变成了0,释放资源 */        kfree(resource);        pr_info("Resource freed.\n");    }}/* 查询当前引用数 */intget_ref_count(void) {returnatomic_read(&ref_count);}

这背后的机制是:每个函数内部,都会通过CPU的特定指令(比如ARM的LDREX和STREX)确保「读—改—写」这三步在硬件层面被锁死,别的核不可能插进来。

原子位操作:对「标志位」的精准控制

除了整数计数,我们经常还需要操作某一位。比如设备状态里有一个标志位,表示「设备正忙」。这时候就需要原子位操作。

原子位操作不需要像atomic_t那样的特殊结构体,它是直接对内存地址下手的。你传给它一个内存地址(比如你的设备结构体里的某个成员),再传给它一个位号(第几位),它就能保证只操作那一位,而且绝不乱套。

常用 API

这里同样有一张高频表:

函数
描述
void set_bit(int nr, void *p)置位
:将地址p的第nr位设置为1
void clear_bit(int nr, void *p)清零
:将地址p的第nr位清零
void change_bit(int nr, void *p)翻转
:将地址p的第nr位取反(0变1,1变0)
int test_bit(int nr, void *p)测试
:读取第nr位的值(非原子读,仅用于查询)
int test_and_set_bit(int nr, void *p)测并置位
:原子地设置第nr位为1,并返回它原来的值(常用于加锁)
int test_and_clear_bit(int nr, void *p)测并清零
:原子地清除第nr位,并返回它原来的值
int test_and_change_bit(int nr, void *p)测并翻转
:原子地翻转第nr位,并返回它原来的值

这里的「原来」二字是关键。

test_and_set_bit是实现「先到先得」逻辑的神器。两个线程都试着调用它去抢同一个标志位:

  • 线程A调用test_and_set_bit(0, &addr),因为原来是0,返回0,线程A知道「是我先抢到的」,并且把位变成了1
  • 线程B随后调用,因为已经是1了,返回1,线程B知道「已经有人抢了」,只好放弃或等待

这其实就是一个最简单的「自旋锁」的原型。

实战片段:设备状态管理

/* 设备状态标志位定义 */#define DEVICE_BUSY 0   /* 第0位:设备忙标志 */#define DEVICE_ERROR 1  /* 第1位:设备错误标志 *//* 设备结构体 */structmy_device {unsignedlong flags;  /* 状态标志位 *//* ... 其他成员 ... */};/* 设备打开时检查忙标志 */intmy_device_open(struct my_device *dev) {/* 尝试设置BUSY位,如果返回1表示已经被设置了 */if (test_and_set_bit(DEVICE_BUSY, &dev->flags)) {/* 设备忙,返回错误 */return -EBUSY;    }/* 成功获取设备访问权 */return0;}/* 设备关闭时清除忙标志 */voidmy_device_close(struct my_device *dev) {    clear_bit(DEVICE_BUSY, &dev->flags);}/* 错误处理 */voidmy_device_error(struct my_device *dev) {    set_bit(DEVICE_ERROR, &dev->flags);}/* 检查错误状态 */intmy_device_check_error(struct my_device *dev) {return test_bit(DEVICE_ERROR, &dev->flags);}

64位原子操作:当32位不够用时

如果你在64位的SoC上跑内核(比如Cortex-A53),你可能需要处理64位整数。内核也提供了对应的atomic64_t结构体和一系列atomic64_xxx函数。

/* 定义64位原子变量 */atomic64_t counter64 = ATOMIC64_INIT(0);/* 使用方式与32位版本完全相同 */atomic64_inc(&counter64);atomic64_add(1000, &counter64);u64 val = atomic64_read(&counter64);

用法和32位版本一模一样,只是把int换成了long long。

不过,鉴于我们的板子是32位的Cortex-A7,用32位原子操作就够了。但知道有64位版本存在是好事,万一以后换板子了呢。

什么时候用原子操作,什么时候用锁?

原子操作是内核并发控制的基石。它虽然只能保护简单的整数或位,但在很多场景下(比如简单的引用计数、开关标志),它不仅够用,而且是性能最好的选择——因为它没有锁带来的上下文切换开销,CPU也不用在那空转。

但原子操作有它的局限:它只能保护「一个变量」。如果你的代码逻辑需要同时保护两个变量,或者需要保护一大段复杂的数据结构,原子操作就显得力不从心了。

决策树:

需要保护的是单个整数或位吗?├─ 是 → 可以用原子操作│  └─ 操作很简单(inc/dec/test_set)?│     └─ 是 → 优先用原子操作(性能最好)└─ 否 → 需要用锁(自旋锁或互斥体)

这一小节就到这里

原子操作是最轻量级的并发控制机制。当你只需要保护一个简单的计数器或标志位时,它是首选。

但记住它的局限性:只能保护单个变量。一旦你需要保护复杂的数据结构或一段逻辑代码,就需要升级到更重型的武器——锁。

下一节,我们要接触那个让CPU「忙等待」的自旋锁,以及那个让线程「睡大觉」的互斥体。它们会引入新的问题,但也会带来更强的控制力。


本章要点

  1. 原子操作解决的是「读—改—写」不可分割的问题
    。在C语言里看似原子的一步操作,在CPU层面可能是多步。
  2. atomic_t是专门的原子整数结构体
    ,不能直接用++或--操作,必须使用内核提供的API。
  3. Linux 7.0新增了内存顺序变体
    (_relaxed、_acquire、_release),但大多数驱动用默认版本即可。
  4. 原子位操作直接对内存地址操作
    ,常用于标志位管理。test_and_set_bit是实现简单锁的原型。
  5. 原子操作的适用场景
    :保护单个整数或位。复杂场景需要用锁。

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