内核部件之同步机制之原子操作

概述:

所谓原子操作，就是该操作绝不会在执行完毕前被任何其他任务或事件打断，也就说，它的最小的执行单位，不可能有比它更小的执行单位，因此这里的原子实际是使用了物理学里的物质微粒的概念。原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的，其API和原子类型的定义都定义在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，它们都使用汇编语言实现，因为C语言并不能实现这样的操作。

1.原子操作的定义:

typedef struct{volatile int counter;}atomic_t;

volatile修饰字段告诉gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

2.原子操作的API:

atomic_read(atomic_t * v);

该函数对原子类型的变量进行原子读操作，它返回原子类型的变量v的值。

atomic_set(atomic_t * v, int i);

该函数设置原子类型的变量v的值为i。

void atomic_add(int i, atomic_t *v);
该函数给原子类型的变量v增加值i。

atomic_sub(int i, atomic_t *v);

该函数从原子类型的变量v中减去i。

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

该函数从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

void atomic_inc(atomic_t *v);

该函数对原子类型变量v原子地增加1。

void atomic_dec(atomic_t *v);

该函数对原子类型的变量v原子地减1。

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

该函数对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);

该函数对原子类型的变量v原子地增加1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);

该函数对原子类型的变量v原子地增加I，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);

该函数对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);

该函数从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。

int atomic_inc_return(atomic_t * v);

该函数对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。

int atomic_dec_return(atomic_t * v);

该函数对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。

3.原子操作的的应用场景

原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构struct ipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1。当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放IP碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。

4.实例:使用原子变量使设备只能被一个进程打开

要使用原子变量,需要包含头文件:

#include <linux/types.h>

使用原子变量的模板如下:

static atomic_t available = ATOMIC_INIT(1);/*定义原子变量初始值为1*/

static int xxx_open(struct inode *inode,struct file *filp)

{

...

if(!atomic_dec_and_test(&xxx_available))

{

atomic_inc(&xxx_available);

return -EBUSY;

}

...

return 0;

}

static int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp)

{

atomic_inc(&xxx_available);

return 0;

}