原子变量原理剖析
一、原子操作
原子操作保证指令以原子的方式执行,执行过程不被打断。先看一个实例,如下所示,如果thread_func_a和thread_func_b同时运行,执行完成后,i的值是多少?
`// test.c
static int i = 0;void thread_func_a()
{i++;
}
void thread_func_b()
{i++;
}`
有的读者认为是2,也有的读者认为是1,在给出正确的结果之前,我们先看下这段代码的汇编:
// aarch64-linux-gnu-gcc -S test.c
// vim test.s
.LFB0:.cfi_startprocadrp x0, iadd x0, x0, :lo12:i ldr w0, [x0] // 加载内存地址为x0寄存器的值,也就是i的值到w0寄存器add w1, w0, 1 // 将w0寄存器的值与1相加,结果存在w1寄存器adrp x0, iadd x0, x0, :lo12:istr w1, [x0] // 把w1寄存器的值,加载到x0所在的地址nopret.cfi_endproc
...
可以看到虽然在我们写的代码中,i++只有一条指令,实际上汇编指令需要三条:
-
加载内存地址的值
-
修改变量的值
-
将修改后的值写回原先的地址
两个cpu在执行过程中,顺序是随机的,结果也是随机的,这里为了更直观,给大商家列一下实际可能的执行顺序,以及对应的结果:
可能的结果:i = 2,执行顺序如下:
可能的结果:i = 1,执行顺序如下
针对上面的问题,linux提供了atomic_t类型的原子变量来解决,它可以保证对一个整形数据的原子性。
在内核看来,原子操作函数就像一条汇编语句,保证了操作时不被打断,如上述i++语句就可能被打断,要保证操作的原子性,通常需要原子地(不间断地)完成"读-修改-回写"机制,中间不能被打断。
二、原子变量
linux提供了atomic_t类型的原子变量,它的实现依赖于不同的架构,不同处理器的实现方式不一样。我们首先看下都有哪些原子操作可供使用,然后再针对arm64的实现方式进行解读(其他架构原理都类似,大家自己揣摩)。
2.1 原子操作函数
linux内核提供了很多操作原子变量的函数,了解这些内容,方便我们后续使用。我们以arm64为例进行讲解。
2.1.1 基本原子操作函数
接口:
ATOMIC_INIT(i)
atomic_read(const atomic_t *v)
atomic_set(atomic_t *v, int i)
实现:
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define arch_atomic_read(v) __READ_ONCE((v)->counter)
#define arch_atomic_set(v, i) __WRITE_ONCE(((v)->counter), (i))
2.1.2 不带返回值的原子操作函数
接口:
atomic_add(i, v)
atomic_sub(i, v)
atomic_and(i, v)
atomic_or(i, v)
atomic_xor(i, v)
atomic_andnot(i, v)
实现
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_OP(op) \
static __always_inline void arch_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \__lse_ll_sc_body(op, i, v); \
}ATOMIC_OP(atomic_andnot)
ATOMIC_OP(atomic_or)
ATOMIC_OP(atomic_xor)
ATOMIC_OP(atomic_add)
ATOMIC_OP(atomic_and)
ATOMIC_OP(atomic_sub)
2.1.3 带返回值的原子操作
linux内核提供了两类带返回值的原子操作函数,一类返回原子变量的新值,一类返回原子变量的旧值。 然会原子变量新值的原子操作函数如下。
接口:
atomic_add_return(i, v)
atomic_sub_return(i, v)
实现;
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)
返回原子变量旧值的原子操作函数如下:
接口:
atomic_fetch_add(i, v)
atomic_fetch_sub(i, v)
atomic_fetch_and(i, v)
atomic_fetch_or(i, v)
atomic_fetch_xor(i, v)
atomic_fetch_andnot(i, v)
实现:
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h
#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)
3.1.4 内嵌内存屏障的原子操作函数
接口:
{}_relexd // 不内嵌内存屏障原语
{}_acquire // 内置加载-获取内存屏障原语
{}_release // 内置存储-释放内存屏障原语
实现:
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic.h#define ATOMIC_FETCH_OP(name, op) \
static __always_inline int arch_##op##name(int i, atomic_t *v) \
{ \return __lse_ll_sc_body(op##name, i, v); \
}#define ATOMIC_FETCH_OPS(op) \ATOMIC_FETCH_OP(_relaxed, op) \ATOMIC_FETCH_OP(_acquire, op) \ATOMIC_FETCH_OP(_release, op) \ATOMIC_FETCH_OP( , op)ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_andnot)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_or)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_xor)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_add)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_and)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_fetch_sub)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_add_return)
ATOMIC_FETCH_OPS(atomic_sub_return)
2.2 原子操作的实现
2.2.1 原子操作的实现
原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持,在不同的处理器体系结构上,原子操作会有不同的实现,例如在x86体系结构下,通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。目前在ARMv8体系结构下支持两种方式来实现原子操作:
-
一种是经典的独占内存访问机制,也叫做LL/SC(Load-Link/Store-Conditional),早期ARM体系结构下的原子操作都是基于这种方式实现;
-
另一种是ARMv8.1体系结构上新增的LSE(Large System Extension)扩展,LSE提供了多种原子内存访问操作指令。
具体选择哪一种,CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS决定
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/lse.h
#ifdef CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS#define __LSE_PREAMBLE ".arch_extension lse\n"#include <linux/compiler_types.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/stringify.h>
#include <asm/alternative.h>
#include <asm/alternative-macros.h>
#include <asm/atomic_lse.h>
#include <asm/cpucaps.h>#define __lse_ll_sc_body(op, ...) \
({ \alternative_has_cap_likely(ARM64_HAS_LSE_ATOMICS) ? \__lse_##op(__VA_ARGS__) : \__ll_sc_##op(__VA_ARGS__); \
})/* In-line patching at runtime */
#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse) \ALTERNATIVE(llsc, __LSE_PREAMBLE lse, ARM64_HAS_LSE_ATOMICS)#else /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */#define __lse_ll_sc_body(op, ...) __ll_sc_##op(__VA_ARGS__)#define ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(llsc, lse) llsc#endif /* CONFIG_ARM64_LSE_ATOMICS */
#endif /* __ASM_LSE_H */
2.2.2 ll/sc方式
LL/SC机制使用多个指令,并且每个处理器都需要实现一个专有监视器,LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。首先看下ARMv8体系结构提供的独占内存访问指令。
独占内存访问指令
ARMv8体系结构实现的独占内存访问指令为LDXR/STXR:
-
LDXR:内存独占加载指令,它从内存中以独占方式加载内存地址的值到寄存器中;
-
STXR:内存独占存储指令,它以独占的方式把数据存储到内存中。 LDXR/STXR的指令格式如下:
ldxr <xt>, [xn | sp]
stxr <ws>, <xt>, [xn | sp]
多字节独占内存访问指令
LDXP和STXP指令是多字节独占内存访问指令,一条指令可以独占地加载和存储16字节。
ldxp <xt1>, <xt2>, [xn | sp]
stxp <ws>, <xt1>, <xt2>, [<xn | sp>]
独占监视器
独占监视器是一个硬件状态机,用于跟踪读-修改-写序列,并支持Load和Store操作。当CPU执行LDXR指令时,独占监视器会把对应内存地址标记为独占访问模式,保证以独占的方式来访问这个内存地址;而STXR是有条件的存储指令,当CPU执行STRX指令将新数据写入到LDXR指令标记的独占访问内存地址时,会根据独占监视器的状态来进行处理:
-
若独占监视器为独占访问状态,那么STRX指令执行成功,并且独占监视器会切换状态到开放访问状态;
-
若独占监视器为开放访问状态,则STRX指令执行失败,数据无法存储。
ARMv8体系提供了三类独占监视器:
-
本地独占监视器
-
内部缓存一致性全局独占监视器
-
外部全局独占监视器
这些独占监视器分别位于系统存储结构的不同层次,如下
atomic_op实现:
// linux-6.9.1/arch/arm64/include/asm/atomic_ll_sc.h
#define ATOMIC_OP(op, asm_op, constraint) \
static __always_inline void \
__ll_sc_atomic_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \unsigned long tmp; \int result; \\asm volatile("// atomic_" #op "\n" \" prfm pstl1strm, %2\n" \"1: ldxr %w0, %2\n" \" " #asm_op " %w0, %w0, %w3\n" \" stxr %w1, %w0, %2\n" \" cbnz %w1, 1b\n" \: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Q" (v->counter) \: __stringify(constraint) "r" (i)); \
}
第11行:将v->counter的值以内存独占加载的方式存储到w0寄存器,即result = v->counter
第12行:将w0的值和i的值操作(add/sub等)结果保存在w0,即result = result + i
第13行:将w0的值写回v->counter,成功的为给w1赋0,否则等于1
第14行:判断temp的值,为0代表成功;为1代表失败,跳转到ldxr。
说白了,这里也是一个自旋
2.2.3 lse方式
在ARMV8.1指令集中增加了一些新的原子操作指令,可以一个指令实现整形运算。
新增的整形原子指令:
接口:
stclr
stset
steor
stadd实现:
#define ATOMIC_OP(op, asm_op) \
static __always_inline void \
__lse_atomic_##op(int i, atomic_t *v) \
{ \asm volatile( \__LSE_PREAMBLE \" " #asm_op " %w[i], %[v]\n" \: [v] "+Q" (v->counter) \: [i] "r" (i)); \
}ATOMIC_OP(andnot, stclr)
ATOMIC_OP(or, stset)
ATOMIC_OP(xor, steor)
ATOMIC_OP(add, stadd)
三、总结
本篇文章首先根据一个真实的事例引出原子操作要解决的问题,然后对linux提供的原子操作的众多接口进行了解释说明,最后对arm架构上的两种原子操作的实现方式原理LL/SC、LSE进行了剖析。经过上面的学习,大家应该已经了解原子变量的使用场景以及内部的实现机理。
参考: https://jishuzhan.net/article/1763876122459639809
《奔跑吧,linux内核-卷一基础架构》
《奔跑吧,linux内核-卷二调试与案例分析》
下篇文章,将经典自旋锁进行解读,敬请期待 。
一个专注于“嵌入式知识分享”、“DIY嵌入式产品”的技术开发人员,关注我,一起共创嵌入式联盟。
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地平线旭日x3派部署yolov5--全流程 前言一、深度学习环境安装二、安装docker三、部署3.1、安装工具链镜像3.2、配置天工开物OpenExplorer工具包3.3、创建深度学习虚拟空间,安装依赖:3.4、下载yolov5项目源码并运行3.5、pytorch的pt模型文件转onnx3.6、最…...
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java LinkedList 怎么保证线程安全
在 Java 中,LinkedList 本身并不是线程安全的。如果需要在多线程环境中使用 LinkedList,可以采取以下几种方法来保证线程安全性: 1. 使用 Collections.synchronizedList Java 提供了一个实用的方法 Collections.synchronizedList 来包装 Li…...
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uniapp+vue3开发微信小程序踩坑集
本文主要记录使用uniappvue3开发微信小程序遇见的各种常见问题及注意点。(持续更新) 问题: 自定义组件为什么有些样式加不上去 给自定义组件增加class的时候,有时候不生效有时候生效,一度让我怀疑自己记忆错乱。后来…...
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办公软件WPS与Office的区别
临近计算机考试很多同学在纠结我是报wps好?还是ms office好?下面就来详细说说。 1、wps属于国内金山公司的办公软件,里面包含word、Excel和PPT。考试是2021年开始的! 2、MS(Microsoft 微软) office属于美…...
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[数据集][目标检测]睡岗检测数据集VOC+YOLO格式3290张4类别
数据集格式:Pascal VOC格式YOLO格式(不包含分割路径的txt文件,仅仅包含jpg图片以及对应的VOC格式xml文件和yolo格式txt文件) 图片数量(jpg文件个数):3316 标注数量(xml文件个数):3316 标注数量(txt文件个数):3316 标注…...
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使用Java编写网络爬虫
使用Java编写网络爬虫 大家好,我是免费搭建查券返利机器人省钱赚佣金就用微赚淘客系统3.0的小编,也是冬天不穿秋裤,天冷也要风度的程序猿! 网络爬虫是一种自动化程序,用于从互联网上获取信息并收集数据。在Java中编写…...
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生鲜水果行业wordpress主题
水果蔬菜wordpress外贸自建站模板 水果、脐橙、牛油果、菠萝、凤梨、鲜枣、苹果、芒果、瓜果、百香果wordpress外贸独立站模板。 https://www.jianzhanpress.com/?p3932 生鲜wordpress外贸出口网站模板 水果、蔬菜、肉蛋奶、水产、干货等生鲜产品wordpress外贸出口公司网站…...
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3.3V到5V的负电源产生电路(电荷泵电压反相器)SGM3204输出电流0.2A封装SOT23-6
前言 SGM3204 非稳压 200mA 电荷泵负电源产生电路,LCEDA原理图请访问资源 SGM3204电荷泵负电源产生电路 SGM3204电荷泵负电源产生电路 一般描述 SGM3204从 1.4V 至 5.5V 的输入电压范围产生非稳压负输出电压。 该器件通常由 5V 或 3.3V 的预稳压电源轨供电。由于…...
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Excel 宏录制与VBA编程 —— 15、MsgBox参数详解
Msgbox参数具体如下 Msgbox参数使用1 Msgbox参数使用2(返回值示例) &ensp ;###### 关注 笔者 - jxd...
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Kafka~消息发送过程与ISR机制了解
消息发送过程 使用Kafka发送消息时,一般有两种方式分别是: 同步发送异步发送 同步发送时,可以在发送消息后,通过get方法等待消息结果,这种情况能够准确的拿到消息最终的发送结果,要么是成功、要么是失败…...
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multiprocessing.Queue 多个进程生产和多个进程消费怎么处理
在这个示例中,我们创建了一个队列 q,并通过 multiprocessing.Manager().Queue() 来确保队列可以在多个进程之间共享。我们定义了 consumer 和 producer 函数,分别用于从队列中获取数据和向队列中放入数据。 在主进程中,我们创建了…...
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配置 Python 解释器及虚拟环境
配置 Python 解释器及虚拟环境 配置 Python 解释器: 1. 打开 PyCharm,进入“File”(文件)菜单,选择“Settings”(设置)。 2. 在弹出的设置窗口中,选择“Project: [项目名称]”下的…...
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JeecgBoot中如何对敏感信息进行脱敏处理?
数据脱敏即将一些敏感信息通过加密、格式化等方式处理,展示给用户一个新的或是格式化后的信息,避免了敏感信息的暴露。 一、接口脱敏注解 针对接口数据实现脱敏加密,只加密,一般此方案用于数据加密展示。 1.1 注解介绍 注解作用域…...
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【Docker】存储数据卷
目录 1、挂载数据卷到容器里 2、查询挂载文件 3、容器与主机之间映射共享卷 4、三个容器之间使用共享卷 5、卷数据的备份与恢复 5.1 备份 5.2 恢复 1、挂载数据卷到容器里 docker run -itd --name test02 -v /data nginx docker exec -it test02 bashls / docker inspe…...
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《昇思25天学习打卡营第12天 | 昇思MindSpore基于MindSpore的GPT2文本摘要》
12天 本节学习了基于MindSpore的GPT2文本摘要。 1.数据集加载与处理 1.1.数据集加载 1.2.数据预处理 2.模型构建 2.1构建GPT2ForSummarization模型 2.2动态学习率 3.模型训练 4.模型推理...
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flask-apscheduler 定时任务被执行两次
定时任务没有被多次调用,事实上如果多次调用的话,flask-apscheduler会抛出异常。 但一开始任务还是按时执行一次,重启flask或者修改部分代码后,就发送定时任务一次执行两次了。 之所以会发生这种情况,是因为在debug模…...
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图书馆数据仓库
目录 1.数据仓库的数据来源为业务数据库(mysql) 初始化脚本 init_book_result.sql 2.通过sqoop将mysql中的业务数据导入到大数据平台(hive) 导入mysql数据到hive中 3.通过hive进行数据计算和数据分析 形成数据报表 4.再通过sq…...
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前端领域创作者纪念日:回顾与展望
引言 在2048天前,我加入了CSDN。本文将带您回顾前端技术的发展历程,探索前端创作者的贡献,并展望未来的发展方向。 前端技术的发展历程 前端技术的发展可以追溯到互联网的早期时代。最初的网页主要是静态的HTML文档,内容简单&…...
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利用数据集,用机器学习模型对股市预测,聊聊看!
🏆本文收录于「Bug调优」专栏,主要记录项目实战过程中的Bug之前因后果及提供真实有效的解决方案,希望能够助你一臂之力,帮你早日登顶实现财富自由🚀;同时,欢迎大家关注&&收藏&&…...
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装修需要自己买13个容易忽视的小材料
装修都需要自己提前准备哪些东西? 主要是有几个小材料容易忽略,你自己准备好 我们来干活时候也不担误时间 你自己买的质量也好一点, 临时马桶,开工前一定要准备好,不然师父整到水…...
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《每天5分钟用Flask搭建一个管理系统》 第7章:用户认证
第7章:用户认证 7.1 用户认证的重要性 用户认证是确定用户身份的过程,它是任何需要用户登录的应用的关键部分。认证确保只有经过验证的用户才能访问受限资源。 7.2 Flask-Login扩展的使用 Flask-Login提供了用户会话管理的简单方法。它处理用户登录和…...
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赛力斯汽车打造智能安全联合实验室,19项首期成果发布
5月25日,赛力斯汽车与中国汽研“智能网联新能源汽车智能安全联合实验室”揭牌仪式在重庆隆重举行。智能网联新能源汽车是重庆制造业的优势产业,是建设“33618”现代制造业集群体系的重要支撑。在实现“万亿级”目标指导下,“产学研”深度融合创新的智能安全联合实验室成立,…...
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Linux Tcpdump抓包入门
Linux Tcpdump抓包入门 一、Tcpdump简介 tcpdump 是一个在Linux系统上用于网络分析和抓包的强大工具。它能够捕获网络数据包并提供详细的分析信息,有助于网络管理员和开发人员诊断网络问题和监控网络流量。 安装部署 # 在Debian/Ubuntu上安装 sudo apt-get install…...
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【15年成为通用MCU第一,STM32凭什么?】
微控制器(MCU)是这个快速变化世界的重要助推器和核心组成部分,也是整个数字世界应用最普遍的数字芯片之一。通用MCU市场竞争情况复杂且多样,开发者需要选择最适合的MCU产品完成创新设计。而MCU市场竞争发展的重点一定是以开发者为…...
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【Java】流程控制(条件语句、循环语句、分支语句和异常处理)
1、简介 流程控制是编程中非常重要的一部分,它决定了程序执行的顺序和逻辑。在Java中,有几种主要的流程控制结构,包括条件语句、循环语句、分支语句和异常处理。 2、条件语句 2.1简介 条件语句用于根据某个条件是否成立来决定执行哪段代码…...
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前端基础入门三大核心之HTML篇 —— IndexedDB详解
前端基础入门三大核心之HTML篇 —— IndexedDB详解 什么是IndexedDB?为什么选择IndexedDB? 基本概念数据库(Database)对象仓库(Object Store)索引(Index)事务(Transactio…...
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golang windows环境下集成swag的步骤
1、设置环境变量GOBIN%GOPATH%\bin 2、下载依赖包 go get github.com/swaggo/swag/cmd/swag 3、编译swag,进入目录 cd $GOPATH\pkg\mod\github.com\swaggo\swagv1.7.4\cmd\swag 执行:go install 执行结束后就会发现在GOBIN目录下生成了一个 swag.ex…...