Linux Kernel(armv8-aarch64) 的原子操作的底层实现

通常我们代码中的a = a + 1这样的一行语句，翻译成汇编后蕴含着 3 条指令:

ldrx0, &aaddx0,x0,#1strx0,&a

即(1) 从内存中读取 a 变量到 X0 寄存器(2)X0 寄存器加 1(3) 将 X0 写入到内存 a 中

既然是 3 条指令，那么就有可能并发，也就意味着返回的结果可能不说预期的。

然后在 linux kernel 的操作系统中，提供访问原子变量的函数，用来解决上述问题。其中部分原子操作的 API 如下：

atomic_readatomic_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)

那么操作系统 (仅仅是软件而已) 是如何保证原子操作的呢？（还是得靠硬件），硬件原理是什么呢？

以上的那些 API 函数，在底层调用的其实都是如下__lse_atomic_add_return##name宏的封装，这段代码中最核心的也就是ldadd指令了，这是 armv8.1 增加的 LSE（Large System Extension）feature。

(linux/arch/arm64/include/asm/atomic_lse.h)staticinlineint __lse_atomic_add_return##name(int i, atomic_t *v)	\{									\	u32 tmp;							\									\asmvolatile(							\	__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;							\}

那么系统如果没有 LSE 扩展呢，即 armv8.0，其实现的原型如下所示，这段代码中最核心的也就是ldxr、stxr指令了

(linux/arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h)staticinlinevoid __ll_sc_atomic_##op(int i, atomic_t *v)\{									\unsignedlong tmp;						\int result;							\									\asmvolatile("// atomic_"#op "\n"				\	__LL_SC_FALLBACK(						\"	prfm	pstl1strm, %2\n"					\"1:	ldxr	%w0, %2\n"						\"	"#asm_op "	%w0, %w0, %w3\n"				\"	stxr	%w1, %w0, %2\n"						\"	cbnz	%w1, 1b\n")						\	: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Q" (v->counter)		\	: __stringify(constraint) "r" (i));				\}

那么在 armv8.0 之前呢，如 armv7 是怎样实现的？如下所示， 这段代码中最核心的也就是ldrex、strex指令了

(linux/arch/arm/include/asm/atomic.h)staticinlinevoid atomic_##op(int i, atomic_t *v)			\{									\unsignedlong tmp;						int result;							\									\	prefetchw(&v->counter);						\	__asm__ __volatile__("@ atomic_"#op "\n"			\"1:	ldrex	%0, [%3]\n"						\"	"#asm_op "	%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");							\}

总结：

在很早期，使用 arm 的 exclusive 机制来实现的原子操作，exclusive 相关的指令也就是ldrex、strex了，但在 armv8 后，exclusive 机制的指令发生了变化变成了ldxr、stxr。但是又由于在一个大系统中，处理器是非常多的，竞争也激烈，使用独占的存储和加载指令可能要多次尝试才能成功，性能也就变得很差，在 armv8.1 为了解决该问题，增加了ldadd等相关的原子操作指令。

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