ARM體系架構下的同步操作
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當共享資源為一內存地址時，原子操作是對該類型共享資源同步訪問的最佳方式。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201611/317839.htm隨著應用的日益復雜和SMP的廣泛使用，處理器都開始提供硬件同步原語以支持原子地更新內存地址。
CISC處理器比如IA32，可以提供單獨的多種原子指令完成復雜的原子操作，由處理器保證讀-修改-寫回過程的原子性。
而RISC則不同，由于除Load和Store的所有操作都必須在寄存器中完成，
如何保證從裝載內存地址到寄存器，到修改寄存器中的值，再到將寄存器中的值寫回內存中可以原子性的完成，便成為了處理器設計的關鍵。
從ARMv6架構開始，ARM處理器提供了Exclusive accesses同步原語，包含兩條指令：
LDREXSTREX
LDREX和STREX指令，將對一個內存地址的原子操作拆分成兩個步驟，
同處理器內置的記錄exclusive accesses的exclusive monitors一起，完成對內存的原子操作。
LDREX
LDREX與LDR指令類似，完成將內存中的數據加載進寄存器的操作。
與LDR指令不同的是，該指令也會同時初始化exclusive monitor來記錄對該地址的同步訪問。例如
LDREX R1, [R0]
會將R0寄存器中內存地址的數據，加載進R1中并更新exclusive monitor。
STREX
該指令的格式為：
STREX Rd, Rm, [Rn]
STREX會根據exclusive monitor的指示決定是否將寄存器中的值寫回內存中。
如果exclusive monitor許可這次寫入，則STREX會將寄存器Rm的值寫回Rn所存儲的內存地址中，并將Rd寄存器設置為0表示操作成功。
如果exclusive monitor禁止這次寫入，則STREX指令會將Rd寄存器的值設置為1表示操作失敗并放棄這次寫入。
應用程序可以根據Rd中的值來判斷寫回是否成功。
在這篇文章里，首先會以Linux Kernel中ARM架構的原子相加操作為例，介紹這兩條指令的使用方法；
之后，會介紹GCC提供的一些內置函數，這些同步函數使用這兩條指令完成同步操作。
Linux Kernel中的atomic_add函數
如下是Linux Kernel中使用的atomic_add函數的定義，它實現(xiàn)原子的給 v 指向的atomic_t增加 i 的功能。
1 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)2 {3 unsigned long tmp;4 int result;5 6 __asm__ __volatile__("@ atomic_addn"7 "1: ldrex %0, [%3]n"8 " add %0, %0, %4n"9 " strex %1, %0, [%3]n"10 " teq %1, #0n"11 " bne 1b"12 : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)13 : "r" (&v->counter), "Ir" (i)14 : "cc");15 }在第7行，使用LDREX指令將v->counter所指向的內存地址的值裝入寄存器中，并初始化exclusive monitor。
在第8行，將該寄存器中的值與i相加。
在第9，10，11行，使用STREX指令嘗試將修改后的值存入原來的地址，
如果STREX寫入%1寄存器的值為0，則認為原子更新成功，函數返回；
如果%1寄存器的值不為0，則認為exclusive monitor拒絕了本次對內存地址的訪問，
則跳轉回第7行重新進行以上所述的過程，直到成功將修改后的值寫入內存為止。
該過程可能多次反復進行，但可以保證，在最后一次的讀-修改-寫回的過程中，沒有其他代碼訪問該內存地址。
static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i){unsigned long tmp;__asm__ __volatile__("@ atomic_set/n""1: ldrex %0, [%1]/n"" strex %0, %2, [%1]/n"" teq %0, #0/n"" bne 1b": "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "r" (i): "cc");}輸入為v(原子變量)，i(要設置的值)，均存放在動態(tài)分配的寄存器中。tmp用來指示操作是否成功。
GCC內置的原子操作函數
看了上面的GCC內聯(lián)匯編，是不是有點暈？
在用戶態(tài)下，GCC為我們提供了一系列內置函數，這些函數可以讓我們既享受原子操作的好處，
又免于編寫復雜的內聯(lián)匯編指令。這一系列的函數均以__sync開頭，分為如下幾類：
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, ...)
這一系列函數完成對ptr所指向的內存地址的對應操作，并返回操作之前的值。
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, ...)
這一系列函數完成對ptr所指向的內存地址的對應操作，并返回操作之后的值。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
這兩個函數完成對變量的原子比較和交換。
即如果ptr所指向的內存地址存放的值與oldval相同的話，則將其用newval的值替換。
返回bool類型的函數返回比較的結果，相同為true，不同為false；
返回type的函數返回的是ptr指向地址交換前存放的值。
LDREX 和 STREX
獨占加載和存儲寄存器。
語法
LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]LDREXB{cond} Rt, [Rn]STREXB{cond} Rd, Rt, [Rn]LDREXH{cond} Rt, [Rn]STREXH{cond} Rd, Rt, [Rn]LDREXD{cond} Rt, Rt2, [Rn]STREXD{cond} Rd, Rt, Rt2, [Rn]其中：
- cond
是一個可選的條件代碼（請參閱條件執(zhí)行）。
- Rd
是存放返回狀態(tài)的目標寄存器。
- Rt
是要加載或存儲的寄存器。
- Rt2
為進行雙字加載或存儲時要用到的第二個寄存器。
- Rn
是內存地址所基于的寄存器。
- offset
為應用于Rn中的值的可選偏移量。offset只可用于 Thumb-2 指令中。 如果省略offset，則認為偏移量為 0。
LDREX
LDREX可從內存加載數據。
如果物理地址有共享 TLB 屬性，則LDREX會將該物理地址標記為由當前處理器獨占訪問，并且會清除該處理器對其他任何物理地址的任何獨占訪問標記。
否則，會標記：執(zhí)行處理器已經標記了一個物理地址，但訪問尚未完畢。
STREX
STREX可在一定條件下向內存存儲數據。 條件具體如下：
如果物理地址沒有共享 TLB 屬性，且執(zhí)行處理器有一個已標記但尚未訪問完畢的物理地址，那么將會進行存儲，清除該標記，并在Rd中返回值 0。
如果物理地址沒有共享 TLB 屬性，且執(zhí)行處理器也沒有已標記但尚未訪問完畢的物理地址，那么將不會進行存儲，而會在Rd中返回值 1。
如果物理地址有共享 TLB 屬性，且已被標記為由執(zhí)行處理器獨占訪問，那么將進行存儲，清除該標記，并在Rd中返回值 0。
如果物理地址有共享 TLB 屬性，但沒有標記為由執(zhí)行處理器獨占訪問，那么不會進行存儲，且會在Rd中返回值 1。
限制
r15 不可用于Rd、Rt、Rt2或Rn中的任何一個。
對于STREX，Rd一定不能與Rt、Rt2或Rn為同一寄存器。
對于 ARM 指令：
Rt必須是一個編號為偶數的寄存器，且不能為 r14
Rt2必須為R(t+1)
不允許使用offset。
對于 Thumb 指令：
r13 不可用于Rd、Rt或Rt2中的任何一個
對于LDREXD，Rt和Rt2不可為同一個寄存器
offset的值可為 0-1020 范圍內 4 的任何倍數。
用法
利用LDREX和STREX可在多個處理器和共享內存系統(tǒng)之前實現(xiàn)進程間通信。
出于性能方面的考慮，請將相應LDREX指令和STREX指令間的指令數控制到最少。
Note
STREX指令中所用的地址必須要與近期執(zhí)行次數最多的LDREX指令所用的地址相同。
如果使用不同的地址，則STREX指令的執(zhí)行結果將不可預知。
體系結構
ARMLDREX和STREX可用于 ARMv6 及更高版本中。
ARMLDREXB、LDREXH、LDREXD、STREXB、STREXD和STREXH可用于 ARMv6K 及更高版本中。
所有這些 32 位 Thumb 指令均可用于 ARMv6T2 及更高版本，但LDREXD和STREXD在 ARMv7-M 架構中不可用。
這些指令均無 16 位版本。
示例
MOV r1, #0x1 ; load the ‘lock taken’ valuetryLDREX r0, [LockAddr] ; load the lock valueCMP r0, #0 ; is the lock free?STREXEQ r0, r1, [LockAddr] ; try and claim the lockCMPEQ r0, #0 ; did this succeed?BNE try ; no – try again.... ; yes – we have the lock
arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33" rel="external nofollow noreferrer" target="_blank">http://lxr.free-electrons.com/source/arch/arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33
/** arch/arm/include/asm/atomic.h** Copyright (C) 1996 Russell King.* Copyright (C) 2002 Deep Blue Solutions Ltd.** This program is free software; you can redistribute it and/or modify* it under the terms of the GNU General Public License version 2 as* published by the Free Software Foundation.*/#ifndef __ASM_ARM_ATOMIC_H#define __ASM_ARM_ATOMIC_H#include#include #include #define ATOMIC_INIT(i) { (i) }#ifdef __KERNEL__/** On ARM, ordinary assignment (str instruction) doesnt clear the local* strex/ldrex monitor on some implementations. The reason we can use it for* atomic_set() is the clrex or dummy strex done on every exception return.*/#define atomic_read(v) ((v)->counter)#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6/** ARMv6 UP and SMP safe atomic ops. We use load exclusive and store exclusive to ensure that these are atomic. * We may loop to ensure that the update happens.*/static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;__asm__ __volatile__("@ atomic_addn""1: ldrex %0, [%2]n"" add %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");}static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;smp_mb();__asm__ __volatile__("@ atomic_add_returnn""1: ldrex %0, [%2]n"" add %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");smp_mb();return result;}static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;__asm__ __volatile__("@ atomic_subn""1: ldrex %0, [%2]n"" sub %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");}static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;smp_mb();__asm__ __volatile__("@ atomic_sub_returnn""1: ldrex %0, [%2]n"" sub %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");smp_mb();return result;}static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *ptr, int old, int new){unsigned long oldval, res;smp_mb();do {__asm__ __volatile__("@ atomic_cmpxchgn""ldrex %1, [%2]n""mov %0, #0n""teq %1, %3n""strexeq %0, %4, [%2]n": "=&r" (res), "=&r" (oldval): "r" (&ptr->counter), "Ir" (old), "r" (new): "cc");} while (res);smp_mb();return oldval;}static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr){unsigned long tmp, tmp2;__asm__ __volatile__("@ atomic_clear_maskn""1: ldrex %0, [%2]n"" bic %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2): "r" (addr), "Ir" (mask): "cc");}#else /* ARM_ARCH_6 */#ifdef CONFIG_SMP#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs#endifstatic inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v){unsigned long flags;int val;raw_local_irq_save(flags);val = v->counter;v->counter = val += i;raw_local_irq_restore(flags);return val;}#define atomic_add(i, v) (void) atomic_add_return(i, v)static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v){unsigned long flags;int val;raw_local_irq_save(flags);val = v->counter;v->counter = val -= i;raw_local_irq_restore(flags);return val;}#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v)static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new){int ret;unsigned long flags;raw_local_irq_save(flags);ret = v->counter;if (likely(ret == old))v->counter = new;raw_local_irq_restore(flags);return ret;}static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr){unsigned long flags;raw_local_irq_save(flags);*addr &= ~mask;raw_local_irq_restore(flags);}#endif /* __LINUX_ARM_ARCH__ */#define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new))static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u){int c, old;c = atomic_read(v);while (c != u && (old = atomic_cmpxchg((v), c, c + a)) != c)c = old;return c != u;}#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)#define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v)#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0)#define atomic_add_negative(i,v) (atomic_add_return(i, v) < 0)#define smp_mb__before_atomic_dec() smp_mb()#define smp_mb__after_atomic_dec() smp_mb()#define smp_mb__before_atomic_inc() smp_mb()#define smp_mb__after_atomic_inc() smp_mb()#include #endif#endif
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