ARM LDREX/STREX指令以及独占监控器详解

一、目的

Linux驱动开发中有一个特别重要的知识点必须掌握，即并发、竞态以及同步。

什么是并发？

多个执行单元（进程、线程、中断）同时对一个共享资源的进行访问；此处的共享资源可以是外设、内存或者软件层面的全局变量静态变量等。

什么是同步？

多个执行单元对同一个共享资源访问会引发竞态问题，导致程序运行异常；为了保证某个时刻只能有一个执行单元对共享资源进行操作，就需要进行同步（即独占访问，即A在访问资源时，B只能忙等待或或者休眠；只有A释放其对共享资源的占用后，B才能访问）。

情景分析

上图中每条连线都代表并发可能发生的情景。

进程可能由于其时间片段用完发生调度，也有可能直接被更高优先级的进程抢占执行；中断也可以打断进程的执行。

在SMP多核系统中多个CPU都可以对外设或者内存进行访问，所以并发的情景更加频繁。

在单核支持抢占的系统中，进程A的执行流程可能被进程B打断；进程A的执行流程也可能被中断本身打断，故在单核支持抢占的系统中，并发也是现实存在的问题。

针对并发问题，Linux内核中提供了多种同步手段来协调资源的访问，例如关中断（单核简单系统中可用）、原子操作、自旋锁、信号量、互斥锁、完成量等。

但是我们细看其代码时，我们会发现在ARM平台中原子操作或者其他同步机制都需要LDREX/STREX指令的参与（还有更重要的一个知识点--屏障指令）。

本篇的目的就是帮助大家深入理解这两个指令的作用、实现原理以及应用。

二、介绍

参考资料

https://developer.arm.com/documentation/dht0008/a/arm-synchronization-primitives/exclusive-accesses/ldrex-and-strex?lang=en

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LDREX/STREX是ARM架构上的同步原语，属于硬件层面的同步机制。同步发生在当共享资源某个时刻只能被一个执行单元访问时；共享资源可以是内存、外设设备；执行单元可以是处理器、进程或者线程；

一般是通过以原子方式（原子是最小的不可分割的）修改代表资源状态的一个变量来实现（同步）；修改操作只会有两个结果，要么成功，要么失败；并且对所有的同时访问这个变量的执行单元都可见。

在简单系统中可以通过开关中断的方式实现；在多任务和多核系统中开关中断可能未必是个有效的方法，频繁的开关中断会影响系统的实时处理和调度，甚至有可能就是一个BUG所在。

LDREX/STREX这两个指令配合独占监控器（独占监控器会跟踪独占内存访问）可以实现原子地更新内存数据。

LDREX指令说明

LDREX指令从内存中加载一个字（word）,并且初始化独占监控器的状态用来跟踪同步操作。

LDREX R1, [R0]

上面的代码片段从R0寄存器表示的地址中读取一个字，存放在R1寄存器中，并且更新独占监控器。

STREX指令说明

STREX指令将存储一个字到内存中，但是这个存储指令是有条件的；如果独占监控器允许这个存储操作，那么对应的内存地址就会更新，并且将返回值0保存在目标寄存器中，代表此次操作成功；如果独占监控器不允许，那么就不会更新独占监控器，并且将返回值1保存在目标寄存器中，代表此次操作失败。

基于上述逻辑，我们就可以实现条件执行语句，根据STREX不同的结果进行不同的操作。

独占监控器

在上面的描述中我们提到独占监控器，独占监控器是一种简单的状态机，其存在两种状态：打开或者独占。为了实现多个处理器间的同步，一般会存在两类独占监控器：本地监控器和全局监控器。

对非共享内存的独占访问只检查本地监控器；对共享内存的独占访问会同时检查本地和全局监控器

如果我们访问共享资源，例如上图中的Memory B，那么当CPU0访问B时，CPU0的本地独占监控器会标记为已被独占，同时全局独占监控器也会标记为已被独占（全局监控器会监控多个CPU对共享资源的访问）

上图中Memory A只会被CPU0访问，但是CPU0可能内部多个进程都会访问Memory A。

独占监控器情景分析

CPU0访问Memory A的情形

时间	进程1	进程2
T1	LDREX
T2	...	LDREX
T3	STREX	...
T4		STREX

T1时刻进程1调用LDREX，此时本地监控器标记为已独占；

T2时刻进程2也调用LDREX，此时也会标记本地监控器为已独占；

T3时刻进程1调用STREX，此时由于本地监控器是独占状态，所以进程1的STREX操作成功同时清除本地独占器的独占状态；

T4时刻进程2调用STREX，但是此时本地独占器为Open状态，故此处存储操作不成功；所以进程2必须重新通过LDREX指令去获取内存值去判断。

CPU0和CPU1访问Memory B的情形和上述基本类似，此处不再赘述，只要特别注意的是，对于共享内存的访问，会更新全局监控器，STREX执行完毕后本地和全局独占监控器都会复位为Open状态。

互斥锁实现

基于LDREX/STREX这样的硬件特性，我们可以实现互斥锁或者信号量

注意lock_mutex/unlock_mutex函数中的DMB指令的使用

实现信号量

我们在实现互斥锁或者信号量时可以根据业务需要，可以永久等待或者超时等待，或者完全不等待仅查询是否可以获取到锁或者信号量。

至此，本篇的知识点就介绍完毕，记得点赞+收藏。