原子操作 atomic_t

1. atomic_t 定义及其原因：

内核定义了atomic_t 数据类型，作为对整数计数器的原子操作的基础。

[cpp]
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typedef struct {
int counter;
} atomic_t;

这里引入了一个特殊的数据类型，而不是直接使用int类型，原因如下：

a. 让原子操作函数只接收 atomic_t 类型的操作数，可以确保原子操作只与这种特殊类型数据一起使用，进而保证了该类型数据不会被传递给其他非原子操作函数。

如果对一个数据，一会采用原子操作，一会又不用原子操作，这没什么好处。

b. 使用 atomic_t 类型确保编译器不对相应的值进行访问优化，这使得原子操作最终接收到正确的内存地址，而不是一个别名。

c. 最后，在不同体系结构上实现原子操作时，使用 atomic_t 可以屏蔽各类体系结构的差异。

原子本意就是不可分割的微粒，所以原子操作就是不可的指令；也就是指在执行过程中不会被别的代码所中断的操作。

各个CPU平台有各自的原子操作实现方式，基本都是通过汇编实现的。



内核提供了两组原子操作接口： 整型原子操作和位原子操作

2. 整型原子操作

整型的原子操作只能对 atomic_t 类型的数据进行处理：

[cpp]
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atomic_t v; //定义 v 原子变量

void atomic_set(atomic_t *v, int i); //设置原子变量v的值为i

[cpp]
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/**
* atomic_set - set atomic variable
* @v: pointer of type atomic_t
* @i: required value
*
* Atomically sets the value of @v to @i.
*/
#define atomic_set(v, i) (((v)->counter) = (i))

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v， 并初始化为0

[cpp]
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#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

atomic_read(atomic_t *v); //获得原子变量的值，并将 atomic_t 装换位　ｉｎｔ　类型的返回值，　应用如下：

[cpp]
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printk("%d\n, atomic_read(&v)"); //打印v的值。

atomic_read()定义：

[cpp]
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/**
* atomic_read - read atomic variable
* @v: pointer of type atomic_t
*
* Atomically reads the value of @v.
*/
#define atomic_read(v) (*(volatile int *)&(v)->counter)

[cpp]
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void atomic_add(int i, atomic_t *v); //原子变量+i
void atomic_sub(int i, atomic_t *v); //原子变量-i

原子操作最常见的用途是实现计数器，可以用下面两个函数来实现计数器功能：

[cpp]
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void atomic_inc(atomic_t *v); //原子变量+1
void atomic_dec(atomic_t *v); //原子变量-1

还可以用原子整数操作原子的执行一个操作，并检查结果：

对原子变量执行自增，自减和减操作后（注意没有加），测试其是否为0，为0则返回true，否则返回false

[cpp]
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int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

[cpp]
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int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v); //原子的给 v 加 i， 测试结果是否为负数。如果是负数，返回真；否则返回假。

对原子变量进行加/减，自增/自减操作，并返回新的值。

[cpp]
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int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_inc_return(atomic_t *v);
int atomic_sub_return(atomic_t *v);

原子操作通常是内联函数（inline），往往是通过内嵌汇编指令来实现的。

64位整型原子操作：

对于64位的原子操作，使用 atomic64_t 类型，其功能和32位一模一样，使用方法也完全相同，就是把 atomic 变成了 atomic64。

与 atomic_t 一样， atomic64_t 类型其实就是一个多长整型的封装类：

[cpp]
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typedef struct {
long long counter;
} atomic64_t;

3. 位原子操作
位操作函数是对普通的内存地址进行操作的。

它的参数是一个指针和一个位号，第0位是给定地址的最低有效位；32位机上，31位是地址最高有效位；而第32位是下一个字的最低有效位

虽然原子位操作在大多数情况下，是对一个字长的内存进行访问的，因而位号位于0-31（64位机是0-63），但是对位号的范围并没有限制。

[cpp]
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void set_bit(nr, void *addr); //将addr地址的nr位 置为1

void clear_bit(nr, void *addr); //将addr地址的nr位 清0

void change_bit(nr, void *addr); //对addr地址的nr位 反置

int test_bit(nr, void *addr); //返回addr地址的nr位

下面函数是：先原子的设置/清空/翻转 addr 所指地址的第nr位，然后返回原先的值。

[cpp]
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int test_and_set_bit(nr, void *addr);
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
int test_and_change_bit(nr, void *addr);

内核还提供两个函数，用来从指定地址开始搜索第一个被置位（或未被置位）的位号：

[cpp]
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int find_fist_bit(unsigned long *addr, unsigned int size);

int find_first_zero_bit(unsigned long *addr, unsigned int size);

第一个参数：是个指向内存地址的指针。

第二个参数：是要搜索的总位数。

返回值：是第一个被置位（或未被置位）的位号