Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Эта функция уменьшает на единицу значение заданной переменной атомарного типа. Если результат выполнения операции равен нулю, то возвращается значение true, иначе возвращается false. Полный список всех атомарных операций с целыми числами (т.е. тех, которые доступны для всех аппаратных платформ) приведен в табл. 9.1. Все операции, которые реализованы для определенной аппаратной платформы, приведены в файле <asm/atomic.h>.

Таблица 9.1. Полный список всех атомарных операций с целыми числами

Атомарная целочисленная операция Описание ATOMIC_INIT(int i) Объявление и инициализация в значение i переменной типа atomic_t int atomic_ read(atomic_t *v) Атомарное считывание значения целочисленной переменной v void atomic_set(atomic_t *v, int i) Атомарно установить переменную v в значение i void atomic_add(int i, atomic_t *v) Атомарно прибавить значение i к переменной v void atomic_sub(int i, atomic_t *v) Атомарно вычесть значение 1 из переменной v void atomic_inc(atomic_t *v) Атомарно прибавить единицу к переменной v void atomic_dec(atomic_t *v) Атомарно вычесть единицу из переменной v int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v) Атомарно вычесть значение i из переменной v и возвратить true, если результат равен нулю, и false в противном случае int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v) Атомарно прибавить значение i к переменной v и возвратить true, если результат операции меньше нуля, иначе возвратить false int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) Атомарно вычесть единицу из переменной v и возвратить true, если результат операции равен нулю, иначе возвратить false int atomic_inc_and_test(atomic_t *v) Атомарно прибавить единицу к переменной v и возвратить true, если результат операции равен нулю, иначе возвратить false

Обычно атомарные операции реализованы как функции с подстановкой тела и встраиваемыми инструкциями на языке ассемблера (разработчики ядра любят inline). В случае если какая-либо из функций обладает внутренней атомарностью, то обычно она выполняется в виде макроса. Например, для большинства нормальных аппаратных платформ считывание одного машинного слова данных — это атомарная операция. Операция считывания всегда возвращает машинное слово в непротиворечивом состоянии или перед операцией записи, или после нее, но во время операции записи чтение не может быть выполнено никогда. Следовательно, функция atomic_read() обычно реализуется как макрос, который возвращает целочисленное значение переменной типа atomic_t.

Атомарность и порядок выполнения

От атомарных операций чтения перейдем к различиям между атомарностью и порядком выполнения. Как уже рассказывалось, операции чтения одного машинного слова всегда выполняются атомарно. Эти операции никогда не перекрываются операциями записи того же машинного слова. Иными словами, операция чтения данных всегда возвращает машинное слово в консистентном состоянии: иногда возвращается значение, которое было до записи, а иногда — то, которое стало после записи, но никогда не возвращается значение, которое было во время записи. Например, если целочисленное значение вначале было равно 42, а потом стало 365, то операция чтения всегда вернет значение 42 или 365, но никогда не смешанное значение. Это называется атомарностью.

Иногда бывает так, что вашему коду необходимо нечто большее, например операция чтения всегда выполняется перед ожидающей операцией записи. Это называется не атомарностью, а порядком выполнения (ordering). Атомарность гарантирует, что инструкции выполняются не прерываясь и что они либо выполняются полностью, либо не выполняются совсем. Порядок выполнения же гарантирует, что две или более инструкций, даже если они выполняются разными потоками или разными процессами, всегда выполняются в нужном порядке.

Атомарные операции, которые обсуждаются в этом разделе, гарантируют только атомарность. Порядок выполнения гарантируется с помощью операций барьеров (barrier), которые будут рассмотрены дальше в текущей главе.

В любом коде использование атомарных операций, где это возможно, более предпочтительно по сравнению со сложными механизмами блокировок. Для большинства аппаратных платформ одна или две атомарные операции приводят к меньшим накладным затратам и к более эффективному использованию процессорного кэша, чем в случае более сложных методов синхронизации. Как и в случае любого кода, который чувствителен к производительности, всегда разумным будет протестировать несколько вариантов.

Битовые атомарные операции

В дополнение к атомарным операциям с целыми числами, ядро также предоставляет семейство функций, которые позволяют работать на уровне отдельных битов. Не удивительно, что эти операции зависят от аппаратной платформы и определены в файле <asm/bitops.h>.

Тем не менее может вызвать удивление то, что функции, которые реализуют битовые операции, работают с обычными адресами памяти. Аргументами функций являются указатель и номер бита. Бит 0 — это наименее значащий бит числа, которое находится по указанному адресу. На 32-разрядных машинах бит 31 — это наиболее значащий бит, а бит 0 — наименее значащий бит машинного слова. Нет ограничений на значение номера бита, которое передается в функцию, хотя большинство пользователей работают с машинными словами и номерами битов от 0 до 31 (или до 63 для 64-битовых машин).

Так как функции работают с обычными указателями, то в этом случае нет аналога типу atomic_t, который используется для операций с целыми числами. Вместо этого можно использовать указатель на любые данные. Рассмотрим следующий пример.

unsigned long word = 0;

set_bit(0, &word);     /* атомарно устанавливается бит 0 */

set_bit(1, &word);     /* атомарно устанавливается бит 1 */

printk("%uln", word); /* будет напечатано "3" */

clear_bit(1, &word);   /* атомарно очищается бит 1 */

change_bit(0, &word);  /* атомарно изменяется значение бита 1,

                          теперь он очищен */

/* атомарно устанавливается бит нуль и возвращается предыдущее

   значение этого бита (нуль) */

if (test_and_set_bit(0, &word)) {

 /* условие никогда не выполнится ... */

}

Список стандартных атомарных битовых операций приведен в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Список стандартных атомарных битовых операций

Атомарная битовая операция Описание void set_bit(int nr, void *addr) Атомарно установить nr-й бит в области памяти, которая начинается с адреса addr void clear_bit(int nr, void *addr) Атомарно очистить nr-й бит в области памяти, которая начинается с адреса addr void change_bit(int nr, void *addr) Атомарно изменить значение nr-го бита в области памяти, которая начинается с адреса addr, на инвертированное int test_and_set_bit(int nr, void *addr) Атомарно установить значение nr-го бита в области памяти, которая начинается с адреса addr, и возвратить предыдущее значение этого бита int test_and_clear_bit(int nr, void *addr) Атомарно очистить значение nr-го бита в области памяти, которая начинается с адреса addr, и возвратить предыдущее значение этого бита int test_and_change_bit(int nr, void *addr) Атомарно изменить значение nr-го бита в области памяти, которая начинается с адреса addr, на инвертированное и возвратить предыдущее значение этого бита int test_bit(int nr, void *addr) Атомарно возвратить значение nr-го бита в области памяти, которая начинается с адреса addr

Для удобства работы также предоставляются неатомарные версии всех битовых операций. Эти операции работают так же, как и их атомарные аналоги, но они не гарантируют атомарности выполнения операций, и имена этих функций начинаются с двух символов подчеркивания. Например, неатомарная форма функции test_bit() будет иметь имя __test_bit(). Если нет необходимости в том, чтобы операции были атомарными, например, когда данные уже защищены с помощью блокировки, неатомарные операции могут выполняться быстрее.